Multiskalensimulation von additiven Fertigungsprozessen für Metalle
Motivation
Wir sind auf die Entwicklung fortschrittlicher Rechenmodelle für die laserbasierte additive Fertigung spezialisiert, mit besonderem Schwerpunkt auf den Verfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Laser Directed Energy Deposition (L-DED). Unsere Arbeit umfasst mehrere Ebenen – von mikroskopischen Laser-Pulver-Wechselwirkungen bis hin zu Vorhersagen der Eigenschaften auf Komponentenebene – und ermöglicht so die präzise Steuerung und Optimierung von Fertigungsprozessen für komplexe hybride und poröse Strukturen.
Forschungsbereiche
Mikroskalige Simulation (1–100 μm)
Erfassung grundlegender physikalischer Vorgänge auf Partikel- und Kornniveau:
- Laser-Material-Wechselwirkung: Energieabsorption, Reflexion und Wärmeverteilung in einzelnen Pulverpartikeln (20–100 μm)
- Pulverdynamik: Partikelkinematik, Schmelzverhalten und Abscheidungseigenschaften
- Phasenübergänge: Fest-Flüssig-Gas-Übergänge bei extremen Abkühlungsraten (>10⁶ K/s)
- Physik des Schmelzbades: Strömungsdynamik, Oberflächenspannung und Mikrostrukturverfestigung
- Mikrostrukturentwicklung: Kornbildung während der schnellen Erstarrung
Mesoskalige Simulation (100 μm – 10 mm)
Effiziente Modellierung von Merkmalen und Mehrspur-Wechselwirkungen:
- Spur-Wechselwirkungen: Verhalten benachbarter und überlappender Laserstrahlen
- Schichtdynamik: Thermische Vorgeschichte und Verbindung zwischen den Schichten
- Porositätsmodellierung: Repräsentative Volumenelemente (RVEs) für poröse Substrate
- Merkmalsgeometrie: Einzelne Stege, mehrere Spuren und lokale Strukturelemente
- Thermomechanische Kopplung: Temperaturentwicklung und Entwicklung von Restspannungen
Makroskalige Simulation (> 10 mm)
Vorhersagen auf Komponentenebene durch virtuelle Fertigung:
- Eigenschaftsverteilung: Räumliche und zeitliche Abbildung von Materialeigenschaften
- Globale Restspannung: Komponentenweite Spannungszustände aus vollständigen Bauabläufen
- Pfadoptimierung: Auswirkungsanalyse von Scanmusterstrategien
- Materialgradienten: Modellierung räumlich variierender Zusammensetzungen und Porosität
- Prozessplanung: Virtuelle Darstellung kompletter Fertigungsabläufe
Computergestützte Methoden und Werkzeuge
JuliaAM: Internes Simulationsframework auf Basis der Finite-Differenzen-Methode (FDM)
Unsere maßgeschneiderte Julia-basierte FDM-Plattform für hochleistungsfähige Simulationen im Bereich der additiven Fertigung:
- GPU-Beschleunigung: Native Julia-Funktionen für massiv paralleles Rechnen
- Multiphysik-Kopplung: Integrierte thermische, mechanische und strömungsdynamische Solver
- Modulare Architektur: Flexible Integration von physikalischen Modellen und numerischen Schemata
- Hochleistungsrechnen und Optimierung: Effizientes verteiltes Rechnen auf Clustersystemen
Ergänzende Werkzeuge
- CFD-DEM-Kopplung: Integrierte numerische Strömungsmechanik und diskrete Elementmethoden
- OpenFoam-Löser: Detaillierte thermo-fluid-strukturelle Simulationen
- Kundenspezifische FDM-Implementierungen: GPU-parallelisierte Finite-Differenzen-Löser
Anwendungen
Unsere Simulationsfähigkeiten ermöglichen:
- Prozessoptimierung für neuartige Materialien und komplexe Geometrien
- Virtuelle Fehlerprognose und Präventionsstrategien
- Restspannungsmanagement für verbesserte Bauteilleistung
- Datengestützte Auswahl von Fertigungsparametern
- Integration mit Echtzeit-Prozessüberwachung und -steuerung
Förderung
Multifunktionale Hochleistungskomponenten aus hybriden porösen Werkstoffen
Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer 511263698 – TRR 375
Kontakt
Alfred Jose Puthoor, M.Sc.
E-Mail: alfred.puthoor(at)mv.rptu.de
Tel: +49 (0) 631/205-4584