Teilprojekt B1

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DEM Simulation des Auftragsmechanismus unter Berücksichtigung von elektrostatischen Wechselwirkungen

Mit Hilfe von teilchenmechanischen numerischen Methoden sollen bestimmte Schritte des Fertigungsprozesses möglichst realitätsnah simuliert werden. Ziel ist es, den Einfluss von Materialeigenschaften zu untersuchen und die Prozessführung im Detail zu optimieren. Zunächst soll das Fließverhalten des Pulvers beim Aufbringen untersucht werden. Weiterhin sollen wesentliche Einflüsse auf die das Grundmaterial bildenden Pulverpartikel über den gesamten Produktionsvorgang in Betracht gezogen werden, vom Auftrag des Pulvers über das Verschmelzen der Partikel mit den daraus resultierenden mechanischen Veränderungen bis zur Entstehung des makroskopischen Endprodukts.
Eine der Schwierigkeiten der realistischen Simulation der Vorgänge im Kontext der additiven Fertigung liegt in der Komplexität der Eigenschaften der einzelnen Ausgangspartikel. In diesem Kontext müssen neben der komplexen geometrischen Form der Partikel und deren Größenverteilung innerhalb des aufgetragenen Pulvers auch deren zeit- und prozessbedingten Veränderungen berücksichtigt werden. Das schließt Abrasion und Bruchmechanik ebenso ein, wie die Alterung und die Modifikation der Oberflächen- und Volumeneigenschaften des Pulvers unter dem Einfluss der durch die Verschmelzung entstehenden raumzeitlichen Temperaturfelder.
Während die Simulation auch großer Systeme von Kugeln oder wenigstens glatter konvexer Teilchen mit einfachen geometrischen Randbedingungen gut beherrscht wird, stellt die Vielteilchensimulation realitätsnaher, scharfkantiger und möglicherweise konkaver Teilchen eine Herausforderung dar.
Der erste Schritt ist die Erweiterung und Optimierung der in der AG entwickelten und erfolgreich eingesetzten Software speziell für geometrisch komplexe Teilchen. In Zusammenarbeit mit den experimentell arbeitenden Teilprojekten muss dabei stets verifiziert werden, dass die gewählten Methoden zu Ergebnissen führen, welche im Einklang mit der physikalischen Realität stehen. Bei der Entwicklung der Simulationswerkzeuge muss ein Kompromiss gefunden werden, der es erlaubt, eine möglichst große Zahl von Partikeln zu simulieren bei gleichzeitig genügend realistischem Aufbau und Verhalten der Einzelpartikeln. Zudem müssen Methoden zur Modellierung aufwendiger Raumgeometrien in Form von Randbedingungen für das Granulat integriert werden. Damit soll das numerische System in der Lage sein, das mechanische Verhalten realistischer (komplexer) Teilchen in geometrisch komplexen technischen Anlagen zu simulieren. Weitere wichtige Prozesse auf Teilchenebene (Abrasion, Deformation, Schmelzen) sollen darauf aufbauend mittelfristig in die Simulation einbezogen werden. Dazu sollen die Erkenntnisse aus anderen Teilprojekten zu den Details des Schmelzvorganges in das Modell übernommen werden. Nach der Erstellung dieses Simulationswerkzeuges wäre somit sowohl die Einbringung des Pulvers als auch das Schmelzen vollständig abbildbar. Somit kann im letzten Teil des Arbeitsprogramms zur Optimierung von sowohl Partikeleigenschaften als auch Produktionsprozessen übergegangen werden. Mit Hilfe eines effizienten Simulationswerkzeugs lassen sich Parameterstudien durchführen und Optimierungsansätze für die Modifikation der Partikeln selbst (z.B. Oberflächenbeschichtungen) sowie der Prozesse im Zuge des Aufbringens und Schmelzens (z.B. Geometrie, Strahlführung) identifizieren, welche dann in der Praxis erprobt werden können.


Professor Pöschel
Daniel Nasato

Prof. Dr. rer. nat. habil. Dr.-Ing. Thorsten Pöschel
Lehrstuhl für Multiscale Simulation of Particulate Systems (MSS)
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Nägelsbachstraße 49b
91052 Erlangen
thorsten.poeschel@fau.de

Daniel Nasato, PhD
Lehrstuhl für Multiscale Simulation of Particulate Systems (MSS)
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Nägelsbachstraße 49b
91052 Erlangen
daniel.nasato@fau.de