Vereinheitlichte partikelbasierte Simulation von Schmelzströmungen und Erstarrungsprozessen unter Berücksichtigung von thermo-elasto-viskoplastischem Festkörperverhalten zur Erhöhung der Präzision

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In vielen Fertigungsprozessen aus dem SFB1120 spielen Effekte an einer freibeweglichen Oberfläche eine entscheidende Rolle und gleichzeitig stellt die Schmelze in vielen Fertigungsverfahren kein zusammenhängendes Gebiet dar. Mit den bisher im SFB verwendeten Euler‘schen Methoden können diese beweglichen Oberflächen nur durch eine starke Erhöhung der Simulationskomplexität akkurat abgebildet werden. Gleichzeitig finden in der aktuellen Forschung zunehmend Lagrange’sche Simulationsmethoden Beachtung, welche eine native und effiziente Behandlung dieser Bedingungen ermöglichen. Um die Vorteile dieser Methoden besser zu verstehen, wurde seit Juni 2021 im Rahmen der 2. Phase des SFB1120 die Lagrange‘sche Methode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) zur Simulation des Metallschutzgas-Schweißens (A04) sowie des thermischen Spritzens (A10), ergänzend zu den bisherigen numerischen Methoden, in einem Begleitprojekt untersucht. Die Untersuchungen bestätigten die hohe Effizienz und Flexibilität der Methode und führten zu einem besseren Verständnis des Prozessverlaufs von Strömung, Wärmeübertragung und Erstarrung. Unsere Erkenntnisse und die durchgeführten Benchmarks, sowie die stark zunehmende Präsenz dieser Methode in der aktuellen Forschung, lassen den Schluss zu, dass die Methode sehr gut zur präzisen Prädiktion von Schmelzverhalten geeignet ist.

Für die Simulation zur Prädiktion von schmelzbasierten Fertigungsprozessen spielt nicht nur das Verhalten der Schmelzströmungen, sondern auch das Verhalten des Bauteils als Festkörper, bei und nach der Erstarrung eine entscheidende Rolle. Es ist geplant, ein auf dem SPH-Ansatz basiertes Verfahren für vereinheitlichte Simulationen für die feste und flüssige Phase, mit einem kontinuierlichen, thermo-elasto-viskoplastischen Phasenübergang, zu entwickeln. Dieser Ansatz baut auf eigenen Vorarbeiten und auf den Vorarbeiten des Teilprojekts B07 zur Modellierung von thermo-elasto-viskoplastischen Werkstoffeigenschaften auf. Mit dieser Methode sollen in den schmelzbasierten Fertigungsprozessen des MSG-Schweißens (A04) und des Laserpulverauftragschweißens (A11) die aufgetragenen Schweißnahtstrukturen und beim thermischen Spritzen (A10) die aufgespritzten Schichtstrukturen sowie deren jeweilige Wechselwirkung mit dem Bauteil simuliert werden.

Im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes soll zunächst die vereinheitlichte SPH-Simulation von Körpern verschiedener Phasenzustände entwickelt und anschließend bzgl. Genauigkeit und Robustheit untersucht werden. Im nächsten Schritt wird das Verfahren erweitert, um den Aufheiz-, Abkühl- und Erstarrungsprozess unter Berücksichtigung der Volumenkontraktion zu simulieren. Anschließend wird das temperaturabhängige Bauteilverhalten (Volumenkontraktion und Deformation) anhand von experimentellen Beispielen aus den werkstoffwissenschaftlichen Teilprojekten A02 und A07, sowie den Projekten zum Alu-Guss (B08, B09) validiert. Schließlich wird die Verbesserung der Recheneffizienz mithilfe räumlich adaptiver Verfahren untersucht, die es ermöglichen, gezielt in wichtigen Bereichen der Simulation lokal die räumliche Auflösung zu erhöhen.

Insgesamt soll das in diesem Teilprojekt zu entwickelnde, vereinheitlichte Simulationsverfahren die Beherrschung der Fertigungsprozesse mit einer erhöhten Präzision bei geringen Kosten und Aufwand ermöglichen.

 
 

Das Simulationsinterface des in diesem Teilprojekts entwickelten Demonstrators. Im Video wird eine Partikelaufprallsimulation aus dem Bereich des Atmosphärischen Plasma-Spritzens aus dem Teilprojekt A10 gezeigt. Die Simulation beinhaltet insgesamt ca. 200k Partikel (mit Substrat) und wird mit 30-facher Geschwindigkeit abgespielt. Die Einfärbung entspricht der Temperatur.

 

Eine Simulation des MSG-Schweißprozesses in Kooperation mit dem Teilprojekt A04. Ein Draht wird von unten erhitzt und durch ein externes Kraftfeld wird das geschmolzene Material von dem Draht abgelöst und tropft in das Schmelzbad. Der Draht bewegt sich mit der Zeit von links nach rechts und es entsteht eine Schweißnaht auf dem Substrat

 
  Vergleich zwischen Simulationsergebnissen bei einem HF-WIG Schweißprozess. Jeweils links abgebildet ist die SPH-Simulation und rechts die COMSOL Multiphysics Simulation. Es ist zu sehen, dass die Lösungen des Temperaturfeldes weitestgehend sehr gu Urheberrecht: © SFB 1120  

Fig. 1 Vergleich zwischen Simulationsergebnissen bei einem HF-WIG Schweißprozess. Jeweils links abgebildet ist die SPH-Simulation und rechts die COMSOL Multiphysics Simulation. Es ist zu sehen, dass die Lösungen des Temperaturfeldes weitestgehend sehr gut übereinstimmen, es jedoch bei t=0.3s eine kleine Abweichung gibt.

 
  Zeitlicher Verlauf von den Schmelzbad-Abmessungen, der in Fig. 1 abgebildeten HF-WIG Simulation. Es werden die Verläufe der SPH-Simulation, der COMSOL-Multiphysics Simulation und einer in Wolfram-Mathematica (WM) implementierten FEM-Simulation verglichen Urheberrecht: © SFB 1120  

Fig. 2 Zeitlicher Verlauf von den Schmelzbad-Abmessungen, der in Fig. 1 abgebildeten HF-WIG Simulation. Es werden die Verläufe der SPH-Simulation, der COMSOL-Multiphysics Simulation und einer in Wolfram-Mathematica (WM) implementierten FEM-Simulation verglichen. Über die gesamte Simulationsdauert stimmen die Abmessungen weitestgehend überein.

 
 

Ein Vergleich von 3 Tropfenaufprallsimulationen in Kooperation mit Teilprojekt A10. Die Simulationen unterscheiden sich in dem Anfangsdurchmesser, welche 62µm, 45µm und 30µm von links nach rechts betragen. Das Material der Tropfen ist Aluminium-Oxid und das Substrat ist Stahl T440C. Bei allen Simulationen ist die Bildung von Spratzern zu erkennen.

 
 

Die Simulation des Aufpralls eines 62µm Aluminium-Oxid Tropfens auf ein T440C Stahl Substrat. Die Partikel sind anhand der Temperatur eingefärbt, wobei blau etwa 300K und rot etwa 2500K entspricht. Es ist zu sehen, wie der Tropfen auf dem Substrat auskühlt, das Substrat erhitzt wird und der erstarrte Tropfen Spratzer bildet.