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gekoppelte Strömungs- und Festkörpermechanik-Simulation einer einspurigen Schweißspur im Leitungsmodus

Bild: Vorläufige Ergebnisse einer gekoppelten Strömungs- und Festkörpermechanik-Simulation einer einspurigen Schweißspur im Leitungsmodus (Domänenschnitt entlang der Mittellinie der Schweißnaht); zeigt ein flüssiges Schmelzbad, das durch Temperatur und hydrostatische Festkörperspannung gefärbt ist (oben), axiale und vertikale Festkörperverschiebung (unten).

Betreuer: A. Otto

Ko-Betreuer: I. Miladinovic

Doktorand: C.Zenz

Additive Fertigungsverfahren bieten die Möglichkeit, physische Teile direkt aus CAD herzustellen. Viele verschiedene Prozesse wie z.B. Laser-Pulverbettschmelzen (L-PBF) oder Laser-Direktenergiedeposition (L-DED) wurden in den letzten Jahren entwickelt und industrialisiert. Allerdings ist es immer noch sehr schwierig, für jedes einzelne herzustellende Teil die richtigen Verarbeitungsparameter zu finden. Das thermische und thermomechanische sowie das metallurgische Verhalten eines Bauteils während des Bauprozesses wird nicht nur stark von der Verarbeitungsstrategie, sondern auch von seiner Geometrie und seinem Material beeinflusst. Dies führt häufig zu Verformungen oder Rissen, zu überhitzten Stellen und vielen anderen zu vermeidenden Verarbeitungsfehlern. Daher ist die von der Industrie offensichtlich stark erwünschte Produktion von auf Anhieb richtigen Teilen immer noch eine Ausnahme und erfordert qualifizierte Experten.

Prozesssimulationen bieten die Möglichkeit, die Auswirkungen zu untersuchen, die zu Prozessausfällen führen, und sind grundsätzlich ein geeignetes Werkzeug zur Unterstützung der Prozessgestaltung. Allerdings sind diese Simulationen sehr anspruchsvoll, da sie sowohl multiskalige als auch metaphysische Eigenschaften aufweisen:

• Multiskalig, sowohl aus zeitlicher als auch räumlicher Sicht: Typische Bauzeiten für ein Teil mit Abmessungen von wenigen Kubikzentimetern liegen bei einigen Stunden, typische Schwankungszeiten auf der Prozessskala, die auch zu Ausfällen führen können, liegen bei einigen Mikrosekunden und dauern im µm-Bereich liegen.
• Multiphysikalisch, da eine korrekte Prozessbeschreibung Optik, Wärmeleitung einschließlich Phasenübergänge, Fluiddynamik, Pulverphysik, Festkörpermechanik, Materialwissenschaften usw. umfasst.

Derzeit sind keine Simulationswerkzeuge verfügbar, die alle diese multiskaligen und multiphysikalischen Aspekte abdecken. Ein wesentliches Ziel zukünftiger Forschungsarbeiten in diesem Bereich der additiven Fertigung muss daher die Entwicklung von Werkzeugen und Strategien sein, die die Simulation lasergestützter additiver Fertigungsprozesse ermöglichen. Dies wird die Voraussetzung für die gewünschte First-Time-Right-Produktion sein.

Basierend auf früheren Arbeiten an der TUW zur mechanistischen Simulation des L-PBF-Prozesses zielt das Doktoratsprojekt auf die Implementierung mehrerer neuer Funktionen in das bestehende Simulationstool ab. Diese beinhalten:

• Kopplung des bestehenden Modells (basierend auf der Methode der diskreten Elemente und der Fluiddynamik) und der Thermomechanik.
• Implementierung eines Kornwachstumsmodells und anderer metallurgischer Aspekte.
• Entwicklung eines vereinfachten Modells für L-PBF zur Reduzierung der Simulationszeit.
• Ableitung von Strategien zur Kopplung des mechanistischen und des vereinfachten Modells.

Die TU Wien wird dieses Doktoratsprojekt leiten, indem sie Betreuung und Zugang zu der im letzten Jahrzehnt entwickelten hauseigenen Software zur Simulation der Lasermaterialbearbeitung bereitstellt. Das Projekt wird in die Forschungsgruppe „Laserprozesssimulation“ eingebettet sein, die starke Expertise in Programmierung und Physik im Hinblick auf die Lasermaterialbearbeitung bietet.