Physikbasierte Modellierung & Simulation additiver Fertigungsverfahren für Metalle

Inhalt

Additive Fertigungsverfahren für Metalle umfassen unter anderem Prozessstrategien wie das schichtweise Auftragen und lokale Aufschmelzen von Metallpulver mit einer hochkonzentrierten Energiequelle (Laserstrahl, Elektronstrahl) oder das lokale Auftragen (und Schmelzen) von Metall im flüssigen (oder pulverförmigen) Zustand. Die genannten Fertigungsverfahren für Metalle bieten eine noch nie da gewesene Designfreiheit (komplexeste Geometrien, gezielte Einstellung der lokalen Mikrostruktur / Materialeigenschaften, etc.) für metallische Bauteile. Um ein grundlegendes Verständnis für die physikalischen Wirkmechanismen dieser hochkomplexen Prozesse zu schaffen und schließlich gewünschte Bauteil- und Materialeigenschaften erzielen zu können, sind vorhersagefähige Modellierungs- und Simulationsansätze essentiell.

Die Vorlesung beschäftigt sich mit State-of-the-Art Ansätzen in der physikbasierten Modellierung und Simulation additiver Fertigungsverfahren für Metalle und stellt dabei einen starken Bezug zu aktuellen Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet her. Die Vorlesung beginnt mit einem Überblick über die verschiedenen Klassen additiver Fertigungsverfahren für Metalle. Anschließend werden die physikalischen Grundlagen der zugrundeliegenden Wirkmechanismen vermittelt, welche in Phänomene auf drei unterschiedlichen Längenskalen unterteilt werden:

• Makroskala: Festkörperthermomechanik (thermische Dehnungen & Spannungen, inhomogenes / anisotropes Materialverhalten, etc.).
• Mesoskala: Thermofluiddynamik (Mehrphasenströmung inklusive Schmelzen & Verdampfen, thermokapillare Effekte, Laser-Absorption, etc.) sowie Mechanik granularer Medien (Partikelinteraktionen aufgrund Reibung sowie van der Walls, elektrostatischer und kapillarer Kräfte, etc.).
• Mikroskala: Mikrostrukturausbildung (metastabile Phasen, Kristallorientierung, Korngröße und -form, etc.).

 Basierend auf dieser Skaleneinteilung werden aktuelle Modellierungsansätze präsentiert, die zugrundeliegenden Modellgleichungen abgeleitet und schließlich Anwendungsbereich, Übertragbarkeit und Limitierungen dieser Modelle im Detail diskutiert. Schließlich werden unterschiedliche Ansätze zur Diskretisierung und numerischen Lösung dieser Modellgleichungen dargestellt. Neben mathematischen Eigenschaften der präsentierten Lösungsverfahren stehen auch anwendungsrelevante Fragestellungen wie Vorhersagegenauigkeit, Rechenaufwand und Einbeziehung experimenteller Prozessdaten im Fokus der Diskussion. 

Die relevanten Modellierungs- und Diskretisierungsansätze werden dabei in einem breiteren Kontext präsentiert und sind nicht auf additive Fertigungsverfahren beschränkt. Somit ist eine Übertragbarkeit der vermittelten Kenntnisse auf allgemeinere Problemstellungen, beispielsweise in der Festköperthermomechanik, der Thermofluiddynamik oder der Mechanik granularer Medien, gewährleistet.