Modelling and Simulation

Ziel dieses Projekts ist es, basierend auf prädiktiven numerischen
Simulationen die additive Herstellung von Bauteilen aus massiven
metallischen Gläsern durch selektives Laserstrahlschmelzen zu
ermöglichen. Es sollen geeignete Prozessstrategien erarbeitet werden,
die den amorphen Materialzustand möglichst ohne Alterungseffekte sowohl
im Volumen als auch für komplexe Geometrien gewährleisten. Dazu müssen
mittels der numerischen Simulation neben der Berechnung des
Temperaturfeldes und der Materialkonsolidierung während des
Fertigungsprozesses auch Aussagen über das Erstarrungsverhalten, die
Alterung und schließlich die Kristallisation möglich werden.

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Die grundlegenden Mechanismen, die beim Pulverschmelzen und der Werkstoffverdichtung im selektiven Strahlschmelzprozess wesentlich sind, sind bisher wenig verstanden. Der Großteil der in der Literatur vorhandenen analytischen und numerischen Modelle beschreibt den Konsolidierungsprozess in einem homogenisierten Bild, d. h. einzelne Pulverpartikel werden nicht aufgelöst. Dieses Vorgehen gibt zwar Auskunft über Mittelwerte, kann aber den lokalen Einfluss des Pulvers nicht erfassen, wie z. B. die Pulvergrößenverteilung, den stochastischen Effekt der Pulverschüttung, die Benetzung des Pulvers durch die Schmelze und die Ausbildung des Schmelzbads. Der eigentliche selektive Schmelzprozess und die dabei wirkenden Mechanismen können nur mit Hilfe der numerischen Simulation auf mesoskopischer Skala, d. h. auf der Skala der Pulverpartikel, verstanden werden. Ziel dieses Projektes ist es, ein numerisches Werkzeug zur mesoskopischen Simulation des selektiven Strahlschmelzens zu schaffen und zur Entwicklung von innovativen Prozessstrategien zu nutzen. Die mesoskopische Skala gestattet die Vorhersage von Defekten, der Oberflächengüte und der Strukturgenauigkeit für verschiedene Werkstoffe als Funktion der Materialparameter (Pulverform, Schüttdichte, ...) und der Prozessparameter (Strahlform, Streckenenergie, Geschwindigkeit, ...).
Im der ersten Phase wurde ein Programm zur 2D-Simulation des selektiven Elektronenstrahlschmelzens entwickelt und anhand experimenteller Ergebnisse validiert. Die Hauptaufgabe bestand in der Abbildung des gesamten Aufbauprozesses, da dieser von unterschiedlichen Zeitskalen (Vorheizen, Schmelzen, Auftrag der Pulverschicht) geprägt wird. Dabei wird, unter anderem, die komplexe Einkopplung des Strahles in das Pulver, Strahlungsverluste an der Oberfläche, Masse- und Energieverlust durch Verdampfung und die Deformation des Schmelzbads durch den Verdampfungsdruck berücksichtigt. Das Programm ist nun in der Lage, Aufbauprozesse unter Berücksichtigung unterschiedlicher Scanstrategien über viele Schichten zu simulieren. So konnten unterschiedliche Prozessstrategien, wie z. B. die Remelt-Strategie, die Refill-Strategie, untersucht werden. Die Verifikation der numerischen Resultate erfolgt in enger Zusammenarbeit mit TP B2.
In der zweiten Phase soll zum einen, um auch das Laserschmelzen von Polymeren simulieren zu können, das bisherige Modell auf Polymere übertragen und implementiert werden. Dazu muss die Absorption des Laserstrahls im teilweise transparenten stochastischen Pulverbett sowie das hochviskose, viskoelastische Materialverhalten beschrieben werden. Die Erarbeitung und Verifikation des Modells erfolgt in Zusammenarbeit mit Teilprojekt TP B3. In einem weiteren Schritt wird eine Methode zur 3D-Simulation der Kornstruktur beim selektiven Strahlschmelzen von Metallen implementiert, um die Textur der Werkstoffe als Funktion der Prozessstrategie vorhersagen zu können.

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A new numerical tool will be explored that supports the experimental alloy developer in defining new compositions with potential for high strength. Starting with a composition space that is defined by the developer based on his metallurgical experience and his design goals, the numerical tool will propose the most promising compositions. The research program will on the one hand address open questions regarding the mathematical optimization in this application and on the other hand new models for predicting the relevant material properties.

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Die strahlbasierte additive Fertigung (AF) von Metallen im Pulverbett bietet nicht nur die Möglichkeit, komplexe, individualisierte Bauteile aus Hochleistungswerkstoffen herzustellen, sondern eröffnet darüber hinaus auch das Potenzial, die lokalen Materialeigenschaften durch geschickte Prozessführung einzustellen. Durch Variation der Erstarrungsbedingungen ist es möglich, die Größenskala der Mikrostruktur zu verändern. Darüber hinaus deuten aktuelle Forschungsergebnisse darauf hin, dass auch die Textur des Bauteils durch die Prozessführung einstellbar ist. Dadurch eröffnen sich ganz neue Perspektiven hinsichtlich der Optimierung von Leichtbauteilen, da nicht nur die Topologie, sondern auch die Textur des Materials lokal den Lasten angepasst werden könnte. Um diese Texturausbildung zu verstehen und gezielt zu beeinflussen, muss der hochdynamische Nichtgleichgewichts-Erstarrungsprozess (Kornwachstum, Kornselektion und Keimbildung) grundlegend verstanden werden. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass vor allen Dingen die Mechanismen der Keimbildung für die extremen Bedingungen der AF unzureichend geklärt sind und mit klassischen Modellen nicht abgebildet werden können.Ziel dieses Antrages ist es, die Mechanismen der Mikrostrukturausbildung, insbesondere der Keimbildung unter den speziellen Erstarrungsbedingungen, zu identifizieren, grundlegend zu verstehen und physikalisch zu modellieren. Dieses Modell soll in eine bereits bestehende, an unserem Lehrstuhl entwickelte Software integriert werden. Die Erstellung und Verifikation des Modells erfolgt experimentell, anhand von additiv gefertigten IN718 Proben. Am Projektende soll ein Modell vorliegen, welches die numerische Vorhersage der Erstarrungsstruktur, Kornstruktur und Texturentwicklung bei der strahlbasierten AF im Pulverbett erlaubt.Das Projekt erweitert die von uns entwickelte Software zur Simulation der Konsolidierung bei strahlbasierter AF im Pulverbett. Die Software beinhaltet eine Lattice Boltzmann Methode zur Abbildung der Hydro- und Thermodynamik während des Schmelzens und Erstarrens. An diese Methode ist ein zellularer Automat gekoppelt, der die Ausbildung der Kornstruktur während des Erstarrens modelliert, ohne bisherige Berücksichtigung der Keimbildung. Der hier von uns verfolgte neue theoretische Ansatz besteht darin, neben dem Temperaturgradienten und der Erstarrungsgeschwindigkeit an der Erstarrungsfront, erstmals auch Information über das in der vorhergehenden Schicht erzeugte Gefüge (Orientierung, Abstand der Zellen/Dendriten, Segregationen) und die lokale Zusammensetzung der Schmelze direkt an der Grenzfläche zur neu entstehenden Schicht zu berücksichtigen. Es soll untersucht werden, wie Richtungswechsel der Erstarrungsfront in Kombination mit vorliegenden Segregationen im rasch erschmolzenen Material (Gedächtnis der Schmelze) durch lokale Unterkühlung Keimbildung induzieren können. Diese Erkenntnisse werden dann mathematisch im Modell für die Keimbildung umgesetzt.

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The overarching goal of AMAZE is to rapidly produce large defect-free additively-manufactured (AM) metallic components up to 2 metres in size, ideally with close to zero waste, for use in the following high-tech sectors namely: aeronautics, space, automotive, nuclear fusion and tooling.

Four pilot-scale industrial AM factories will be established and enhanced, thereby giving EU manufacturers and end-users a world-dominant position with respect to AM production of high-value metallic parts, by 2016. A further aim is to achieve 50% cost reduction for finished parts, compared to traditional processing.

The project will design, demonstrate and deliver a modular streamlined work-flow at factory level, offering maximum processing flexibility during AM, a major reduction in non-added-value delays, as well as a 50% reduction in shop-floor space compared with conventional factories.

AMAZE will dramatically increase the commercial use of adaptronics, in-situ sensing, process feedback, novel post-processing and clean-rooms in AM, so that (i) overall quality levels are improved, (ii) dimensional accuracy is increased by 25% (iii) build rates are increased by a factor of 10, and (iv) industrial scrap rates are slashed to <5%.

Scientifically, the critical links between alloy composition, powder/wire production, additive processing, microstructural evolution, defect formation and the final properties of metallic AM parts will be examined and understood. This knowledge will be used to validate multi-level process models that can predict AM processes, part quality and performance.

In order to turn additive manufacturing into a mainstream industrial process, a sharp focus will also be drawn on pre-normative work, standardisation and certification, in collaboration with ISO, ASTM and ECSS.

The team comprises 31 partners: 21 from industry, 8 from academia and 2 from intergovernmental agencies. This represent the largest and most ambitious team ever assembled on this topic.

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Electron beam melting additive manufacturing is used to produce successive layers of a part in a powder bed and offers the ability to produce components closest to their final dimensions, with good surface finish. At this time the process is faster than any other technique of comparable quality, however the parts are not produced at sufficient rate to make them economically viable for any but very high value specific applications. One key output of the project will be the knowledge surrounding the use of the high powder electron beam gun, including the process control, and modeled and validated understanding of beam-powder bed interaction. The target objectives is the transfer of the 2D model to a 3D model and its parallel implementation. The outcome of the simulation will be compared with real experimental data and therefore the model parameters are adjusted in such a way that the resulting numerical melt pool sizes correspond to the experimental ones.

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Geschäumte Materialien stellen aufgrund ihrer zellularen Struktur eine interessante Materialklasse mit attraktiven Eigenschaften dar. Unabhängig vom Material ist die Schaumbildung im Allgemeinen wenig verstanden und die Schaumherstellung basiert im Wesentlichen auf dem Trial-and-Error-Prinzip. Die numerische Simulation eröffnet hier neue Wege, grundlegende Phänomene bei der Schaumbildung zu er-forschen und die daraus abgeleiteten Erkenntnisse praktisch umzusetzen. Basis für das beantragte Projekt ist eine von uns in den vergangenen Jahren entwickelte Software auf Grundlage der Lattice Boltzmann (LB) Methode zur Simulation von Schaumbildungsvorgängen von flüssigen Metallen. Ziel dieses Projektes ist es, die vorhandene Methodik und Software weiterzuentwickeln, um erstmals auch die grundlegenden Phänomene bei der Schaumbildung von viskoelastischen Materialien numerisch zugänglich zu machen. Dazu ist eine Weiterentwicklung der LB Methodik für viskoelastische Fluide unter Berücksichtigung freier Oberflächen notwendig. Anhand geeigneter numerischer Experimente soll schließlich die Rolle der Viskoelastizität bei der Herstellung von geschäumten Materialien erforscht werden.

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Um eine prädiktive Software erstellen zu können sind möglichst exakte physikalische und numerische Modelle notwendig. Der wichtigste Aspekt hierbei ist die korrekte Modellierung des thermischen Haushalts des Prozesses. Nahezu alle Modifikationen der Prozessparameter haben einen Einfluss auf die Wärmeleitung, den Energieeintrag oder den Wärmeverlust durch beispielsweise Wärmestrahlung oder Verdampfung. Weiterhin sind viele Werkstoffparameter temperaturabhängig und somit sensitiv gegenüber einer korrekten Modellierung. Beim Aufschmelzen des Werkstoffs entsteht ein Schmelzbad, dessen Dynamik im Wesentlichen durch Kapillarität, Verdampfungsdrücke, Benetzungseffekte, Marangoni-Strömungen und Gravitation bestimmt wird. Bei der Erstarrung haben der Temperaturgradient und die Erstarrungsgeschwindigkeit einen maßgeblichen Einfluss auf die entstehende Mikrostruktur.

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Die 2D Simulationssoftware SAMPLE^2D des selektiven Elektronenstrahlschmelzens (SEBM) basiert auf der Software zur Modellierung der Schaumbildung. Die Basissoftware wurde um viele Module erweitert: Diese umfassen Funktionalitäten wie Elektronenstrahlabsorption, Phasenumwandlungen, (selektive) Verdampfung oder Kornwachstum. Ziel der Software ist nach einer experimentellen Validierung die Vorhersage von Prozessfester und die Erklärung für im Prozess auftretende Phänomene.

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Ein Großteil der auftretenden Effekte beim selektiven Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) können mit einer 2D Simulation abgebildet werden. Für eine realistischere Modellierung der Schmelzpooldynamik und des Kornwachstums sind jedoch 3D Simulationen hilfreich. Deswegen wurden am Lehrstuhl WTM hierfür zwei unterschiedliche Programme entwickelt.

Die 3D Simulationssoftware SAMPLE^3D der Hydrodynamik erfordert eine hochparallele Implementierung, die in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Systemsimulation entstanden ist. Hier kann die Schmelzpooldynamik und die Konsolidierung in voller räumlicher Dimension untersucht werden. Dadurch konnten Prozessfenster für dichte Bauteile für innovative Prozessstrategien vorhergesagt werden.

Für das Kornwachstum wird die separate Software SAMPLE^3D_GS entwickelt, die es ermöglicht, alle möglichen Orientierung der Körner während des Prozesses abzubilden. Es wird ein makroskopischer Ansatz gewählt, d.h. hier wird nicht mehr jedes einzelne Pulverpartikel aufgelöst, sondern ein Kontinuum betrachtet. Weiterhin wird hier ausschließlich die Thermodynamik berechnet. Hintergrund ist der hohe Rechenaufwand für Domänen in der Größenordnung realistischer Bauteile.

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Es wird, um das selektive Laserschmelzen (SLM) von Polymeren zu untersuchen, das bisherige Modell für Metalle auf Polymere übertragen. Dabei wird werden bei der Energieeinkopplung die veränderten Absorptions- und Reflexionseigenschaften der Photonen auf Polymeren beachtet. Beispielsweise trifft der Laserstrahl auf ein teilweise transparentes stochastisches Pulverbett. Weiterhin wird für das Polymer das rheologische Modell für hochviskose, viskoelastische Materialien wiederverwendet, das auch bei der Schaumbildung Anwendung findet.

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In dieser Arbeitsgruppe wird eine Software zur multikriteriellen Optimierung entwickelt. Im speziellen wird diese Software auf die Legierungsentwicklung von Nickel-Basis Legierungen angewendet. Im Fokus stehen hierbei die deterministischen und probabilistischen Modelle zur Findung aller optimalen Lösungen (Pareto Front) im vorgegebenen Suchraum. Durch die Entwicklung der CALPHAD-Methode in den vergangenen Jahrzehnten eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Ergänzung der klassischen Legierungsentwicklungsverfahren, vor allem was die Vorhersage von physikalischen Eigenschaften und Merkmalen der Mikrostruktur angeht. Die meisten Eigenschaftsmodelle beruhen grundlegend auf thermodynamischen oder kinetischen Berechnungen, die mit einer Programmierschnittstelle (TC-API) zur kommerziellen Software ThermoCalc bzw. DICTRA erfolgen.

Die Förderung dieser Arbeitsgruppe erfolgt durch den Sonderforschungsbereich SFB TR 103 „Vom Atom zum Einkristall“ (http://www.sfb-transregio103.de/).

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Trotz des Potentials von Metallschäumen für energieabsorbierende und besonders leichte Strukturbauteile konnten sich diese bisher nur wenig durchsetzen. Ein Hindernis für den Einsatz besteht in den Inhomogenitäten der Porenstruktur, wozu starke Variationen in der Porengröße, der Porengeometrie und der Zellwanddicken zählen. Ziel ist es, die bei der Schaumentstehung auf pulvermetallurgischer Basis ablaufenden Prozesse besser verstehen und beeinflussen zu lernen.

Die erarbeitete Simulationssoftware, basierend auf der Gitter Boltzmann Methode, bildet alle wesentlichen Aspekte während der Schaumentstehung ab und erlaubt eine Vorhersage für modifizierte Prozessstrategien. Die Software stützt Ihre Ergebnisse auf der Implementierung der hydrodynamischen, diffusiven und thermodynamischen Erhaltungsgleichungen angewendet auf freie Oberflächen. Die physikalischen Modelle umfassen sowohl das Wachstum, die Vergröberung, die Neuordnung und das Platzen der Blasen als auch Effekte des Schaumnetzwerks wie Alterung und Drainage hervorgerufen durch z.B. Kapillarkräfte oder Gravitation.

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Geschäumte Materialien stellen aufgrund ihrer zellularen Struktur eine interessante Materialklasse mit attraktiven Eigenschaften dar. Die vorhandene Methodik und Software auf Grundlage der Gitter Boltzmann Methode zur Simulation von Schaumbildungsvorgängen von flüssigen Metallen wurde weiter entwickelt, um erstmals auch die grundlegenden Phänomene bei der Schaumbildung von viskoelastischen Materialien numerisch zugänglich zu machen. Dazu ist eine Weiterentwicklung der Methodik für viskoelastische Fluide unter Berücksichtigung freier Oberflächen entwickelt worden. Anhand geeigneter numerischer Experimente konnte die Rolle der Viskoelastizität bei der Herstellung von geschäumten Materialien erforscht werden.

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