FOR 5134:  Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse

• Fachliche Zuordnung: Maschinenbau und Produktionstechnik ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Mathematik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434946896

Der Laser gewinnt als Werkzeug in der Produktionstechnik einen immer größeren Stellenwert, da er ein berührungsloses und hochautomatisierbares Fügen von Werkstücken ermöglicht. Eines der größten Hindernisse für die weitere Verbreitung dieses Prozesses in der Industrie stellt jedoch die Entstehung von Erstarrungsrissen in der Schweißnaht während des Fügevorgangs dar. Oberflächliche Erstarrungsrisse können mittels sensorischer Maßnahmen einfach erkannt werden. Erstarrungsrisse im Inneren der Schweißnaht lassen sich jedoch nur mit erheblichem Aufwand detektieren und können zu einem frühzeitigen Versagen des Bauteils führen. In der Literatur existieren verschiedene phänomenologische Erklärungsansätze, die immer wieder auf empirische Größen zurückgreifen. Quantitative Aussagen zu Risswahrscheinlichkeiten lassen sich jedoch mit diesen Modellen ohne experimentelle Untersuchungen nicht treffen. Abweichungen des verwendeten Werkstoffs, der zu fügenden Geometrie oder der Verarbeitungsparameter erfordern daher immer erheblichen Aufwand. Ein quantitatives Verständnis der Entstehungsmechanismen von Erstarrungsrissen ist daher unabdingbar, um das gesamte Potential des Werkzeugs Laser zu erschließen. Ziel dieser Forschungsgruppe ist es daher ein quantitatives Verständnis für diese Mechanismen zu schaffen. Dafür soll mit Hilfe eines prädiktiven, hochparallelen Simulationsframeworks der Zusammenhang zwischen Material, Prozessparametern, Bauteil und Risswahrscheinlichkeit auf allen relevanten Längenskalen quantitativ beschrieben werden. Auf der Mikroskala wird mittels stark gekoppelter chemo-thermomechanischer Erstarrungssimulationen das sich ausbildende Gefüge bei unterschiedlichen Prozessparametern vorhergesagt. Auf der Mesoskala wird die Interaktion zwischen Laser und Material in der Prozesszone räumlich und zeitlich extrem hochaufgelöst modelliert, um Temperaturgradienten, Erstarrungsgeschwindigkeiten und lokale chemische Zusammensetzung der Legierung im Schmelzbad in Abhängigkeit der Prozessparameter zu bestimmen. Durch diese Auflösung lässt sich erstmals auch der wiedererstarrende Bereich, die Mushy-Zone, explizit darstellen. Dieser Bereich wird unter der Berücksichtigung von mikrostrukturellen Effekten auch thermomechanisch modelliert. Auf der Makroskala werden mit Hilfe der auf der Mikro- und Mesoskala gewonnenen thermischen und mikrostrukturellen Informationen lokale Dehnungszustände und Risswahrscheinlichkeiten vorhergesagt. Damit werden erstmals quantitative Untersuchungen von Zusammenhängen des Werkstoffs und der Prozessparameter auf den verschiedenen Größenskalen möglich sein. Die Umsetzung dieses Ziels erfordert die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus der Produktionstechnik, Materialwissenschaft und Mechanik. Um die Umsetzung und die Verzahnung dieser Modelle effizient gestalten zu können, sind zudem Wissenschaftler aus den Bereichen der Informatik und Mathematik in die Forschungsgruppe eingebunden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation, USA

Projekte

• Effiziente, robuste und hoch skalierbare implizite Löser zur Simulation thermoplastischer Erstarrungsprozesse (Antragsteller Klawonn, Axel ;  Lanser, Martin )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Schmidt, Michael )
• Makromechanische Modellierung des Materialverhaltens beim Laserstrahlschweißen unter mechanischer Beanspruchung (Antragsteller Rethmeier, Michael )
• Massiv parallele Simulation des Schmelzbadbereichs beim Laserstrahlschweißen mit der Lattice- Boltzmann-Methode (Antragsteller Rüde, Ulrich )
• Mehrskalige thermoplastische Analyse in der Erstarrungszone (Antragstellerinnen / Antragsteller Scheunemann, Lisa ;  Schröder, Jörg )
• Mikrostruktursimulation der Erstarrung in der Schweißnaht (Antragstellerinnen / Antragsteller Nestler, Britta ;  Schneider, Daniel )
• Nachhaltiges Daten- und Softwaremanagement für Forschungssoftware zur Simulation von Erstarrungsrissen beim Laserstrahlschweißen (Antragsteller Köstler, Harald ;  Selzer, Michael )
• Thermo-fluiddynamische Untersuchung des Schmelzbadbereichs (Antragsteller Schmidt, Michael )

• Sprecher: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt