Die Modellierung und Vorhersage von Bruchvorgängen ist nach wie vor ein schwieriges Problem in der Computermechanik, insbesondere vor einem multiphysikalischem Hintergrund. In verschiedenen praktischen Anwendungen ist der Bruchmechanik mit anderen beteiligten physikalischen Vorgängen gekoppelt, die ihrerseits den Verlauf der Schädigung im Material stark beeinflussen. Thermischer Bruch ist in vielen Bereichen des Ingenieurwesens allgegenwärtig und gehört zu den verheerendsten Defekten bei der additiven Fertigung von Metallen. Aufgrund der interaktiven Physik ist die rechnerische Simulation eines solchen Prozesses eine Herausforderung. Diese Arbeit widmet sich dem Verständnis der Bruchmechanismen eines solch komplexen Materialsystems, insbesondere der thermischen Rissmechanismen des additiven Fertigungsprozesses und des Bruchverhaltens von additiv gefertigten Teilen.

In dieser Arbeit wird ein thermodynamisch konsistenter Rahmen für thermoelastisch gekoppelten Sprödbruch bei kleinen Dehnungen unter Verwendung des Phasenfeldmodells vorgestellt. Es werden die Kopplungsmechanismen wie schädigungsinformierte Thermomechanik und Wärmeleitung und temperaturabhängige Brucheigenschaften sowie verschiedene Phasenfeld-Bruchformulierungen diskutiert. Numerische Beispiele zeigen, dass das vorgeschlagene Modell in der Lage ist, thermischen Sprödbruch zu simulieren, und dass die Kopplungsmechanismen für die genaue Vorhersage des thermischen Bruchprozesses unerlässlich sind. Darüber hinaus wird das Phasenfeldmodell für thermisch duktilen Bruch in thermoelasto-plastischen Materialien, die einer endlichen Verformung unterworfen sind, entwickelt. Dabei werden die Kopplungsmechanismen zwischen Elastoplastizität, Phasenfeldbruch und Wärmetransport umfassend berücksichtigt. Die Finite-Elemente-Implementierung des gekoppelten Phasenfeldmodells wird durch den Vergleich der Simulationsergebnisse eines Zugversuchs an einer I-förmigen Probe, der Elastoplastizität, Verfestigung, Einschnürung, Rissinitiierung und -ausbreitung umfasst, mit experimentellen Ergebnissen validiert.

Die validierten Modelle werden weiter eingesetzt, um das multiphysikalische Heißrissphänomen in der additiven Fertigung im Kontext einer analytischen Temperaturlösung, des phänomenologischen Modells und des pulveraufgelösten Modells der Pulverbettschmelze zu simulieren. Dabei wird nicht nur die klassische thermische Dehnung, sondern auch die Erstarrungsschrumpfung berücksichtigt, um die thermische Belastung zu berechnen. Die Simulationsergebnisse zeigen bestimmte Schlüsselmerkmale der Heißrissbildung und ihre Abhängigkeit von Prozessparametern wie Laserleistung und Scangeschwindigkeit. Eine höhere Laserleistung und eine geringere Scangeschwindigkeit begünstigen die Heißrissbildung im Keyhole-Mode, während eine geringere Laserleistung und eine höhere Scangeschwindigkeit eher zur Bildung von Rissen im Conduction-Mode führen. Diese Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in das grundlegende Verständnis der Rissbildungsmechanismen und der Prozessoptimierung.

Darüber hinaus wird ein multiskaliger Rahmen unter Verwendung der kohäsiven Phasenfeld-Bruchmethode vorgestellt, um den anisotropen Bruch von additiv gefertigten Teilen zu untersuchen. Dabei werden die anisotropen Eigenschaften einschließlich der anisotropen Elastizität und der anisotropen Bruchfestigkeit berücksichtigt, wobei beide Auswirkungen auf die Rissmuster sowohl getrennt als auch kombiniert untersucht werden. Die orientierungsabhängigen Elastizitätsmodule werden mit dem Ansatz der rechnergestützten Homogenisierung berechnet, während die spannungsbasierte spektrale Zerlegungsmethode der Spannungs- und Dehnungsenergie als Ergebnis der anisotropen Elastizität übernommen wird. Ein richtungsabhängiger struktureller Tensor, der sich auf den Druckprozess bezieht, wird in das Phasenfeld-Bruchmodell eingeführt, um die anisotrope Bruchzähigkeit zu berücksichtigen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass es notwendig ist, sowohl die anisotrope Elastizität als auch die anisotropen Brucheigenschaften zu berücksichtigen, um das Bruchverhalten von additiv gefertigten Teilen genau zu erfassen.