Computergestützte Untersuchung der Auswirkung von Prozessparametern auf die Kornstruktur und mechanischen Eigenschaften von additiv gefertigten Materialien
Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt hatte das Ziel, eine computergestützte Berechnungsmethode zu entwickeln und anzuwenden, um die Kornstruktur und Texturentwicklung während des selektiven Laserschmelzens von Aluminiumlegierungen zu simulieren. Basierend auf der Methode der Zellulären Automata (Engl. Abkürzung: CA) wurde ein dreidimensionales Modell für die Simulation der Ausbildung der Kornstruktur entwickelt. Das Temperaturfeld einer bewegenden Laserwärmequelle wurde unter Verwendung der Methode der Finite-Differenzen (FD) berechnet. Auf Basis von beiden o.g. Methoden wurde das gekoppelte CAFD-Simulationstool entwickelt, um effiziente Simulationen von mehreren Schichten mit mehreren Belichtungsvektoren und dem gesamten repräsentativen Volumen von mehr als 1 mm3 zu ermöglichen. Mit Hilfe der CAFD-Simulationen des Kornwachstums konnten die, für den additiven Prozess typischen säulenförmigen Körner sowie die Texturverteilung sehr gut simulativ abgebildet werden. Dennoch war es nicht möglich, die in Al-Legierungen wie AlSi10Mg und Scalmalloy® experimentell gefundenen bimodalen Kornstrukturen zu replizieren, bei denen die Keimbildung am Randbereich der Schmelze eine entscheidende Rolle spielt. Es wurde festgestellt, dass das konventionelles Keimbildungsmodell nicht ausreichend ist, um das einzigartige Phänomen der bimodalen Kornstruktur zu simulieren. Daher wurden neue partikelbasierte Keimbildungsmodelle entwickelt und in das CAFD-Simulationstool implementiert. Folglich konnten durch den neuen Ansatz die wichtigsten Kornstruktur- und Textureigenschaften (Keimbildung an der Schmelzgrenze in beiden betrachteten Legierungen, epitaxiales Wachstum im unteren Bereich des Schmelzbades von AlSi10Mg und Texturkomponente von <001> parallel zur Aufbaurichtung in säulenförmigen Körnern) erfolgreich simuliert werden. Die gesamte Berechnungskette wurde dann verbessert, indem eine multiskalen- und erstarrungsorientierte thermische Analyse durchgeführt wurde, um die intrinsische Vorwärmung und die ordnungsgemäße Freisetzung der latenten Schmelzwärme zu berücksichtigen. Darüber hinaus wurde basierend auf der Methode der Zellulären Automata ein Porenverteiler-Tool entwickelt, um explizit mehrere Porentypen und -verteilungen basierend auf der experimentell gemessenen Porosität einzuführen. Als Ergänzung zur numerischen CA-Simulationstool wurde auch eine analytische Erstarrungsanalyse etabliert, um solche Merkmale des Erstarrungsprozesses, wie Wachstumskinetik, Mikroentmischung, Typ der fest-flüssigen Phasengrenze sowie Prozentsatz und Zusammensetzung der eutektischen Phase, als Funktion von Prozessparametern vorherzusagen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Modeling of 3D microstructures produced by additive manufacturing,” Proceedings of the Advanced Materials with Hierarchical Structure for New Technologies and Reliable Structures, Tomsk, Russia, 2018, p. 020256
Romanova, V., Zinovieva, O., Balokhonov, R., Zinoviev, A., Ploshikhin, V., Emelianova, E., & Sergeev, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5083499) - “Strategy of computational predictions for mechanical behaviour of additively manufactured materials,” Mater. Sci. Technol., vol. 34, no. 13, pp. 1591–1605, 2018
Zinovieva, O., Zinoviev, A., Ploshikhin, V., Romanova, V., & Balokhonov, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/02670836.2018.1489939) - “Three-dimensional modeling of the microstructure evolution during metal additive manufacturing,” Comput. Mater. Sci., vol. 141, pp. 207–220, 2018
Zinovieva, O., Zinoviev, A., & Ploshikhin, V.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.09.018) - “A physically-based computational approach for processing-microstructure-property linkage of materials additively manufactured by laser powder bed fusion,” Int. J. Mech. Sci., vol. 219, p. 107103, 2022
Romanova, V., Mohebbi, M. S., Dymnich, E., Balokhonov, R., & Ploshikhin, V.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2022.107103) - “Implementation of nucleation in cellular automaton simulation of microstructural evolution during additive manufacturing of Al alloys,” Addit. Manuf., vol. 36, p. 101726, 2020
Mohebbi, M. S., & Ploshikhin, V.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.addlet.2022.100066) - “Cellular Automata Analysis of Effects of Substrate Conditions on Microstructure and Texture Evolution during Selected Laser Melting,” Advanced Materials Research. Vol. 1161, 2021
Mohebbi, M. S., Illies, O., & Ploshikhin, V.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1161.57) - “Simulation of Primary Particle Development and Their Impact on Microstructural Evolution of Sc-Modified Aluminum Alloys during Additive Manufacturing,” Metals, vol. 11, no. 7, 2021
Mohebbi, M. S., & Ploshikhin, V.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/met11071056) - “Investigation of the inhomogeneous mechanical response at the grain scale for additive AlSi10Mg alloy,” Procedia Struct. Integr., vol. 35, pp. 196–202, Jan. 2022
Romanova, V., Dymnich, E., Balokhonov, R., Mohebbi, M. S., & Ploshikhin, V.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.prostr.2021.12.065)
