Hocheffizientes numerisches Model für Vorwärtsprobleme und inverse Fragestellungen in der physikbasierten Simulation von additiven Fertigungsprozessen für Metalle auf Bauteilskala

• Antragsteller: Dr.-Ing. Christoph Meier; Professor Dr.-Ing. Wolfgang A. Wall
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437616465

Additive Fertigung beabsichtigt die Herstellung von Hochleistungsfunktionsbauteilen, deren mechanischen Eigenschaften vergleichbar sind mit Prozessen wie Gießen, Fräsen oder Schmieden. Im Vergleich zu diesen klassischen Prozessen bieten additive Fertigungsverfahren ein Höchstmaß an Produktionsflexibilität und beinahe unbegrenzten Konstruktionsspielraum, was die Erzeugung hochkomplexer Geometrien und Substrukturen (z.B. gitterbasierte, honigwabenartige oder bionische Designs) erlaubt, welche nicht mit konventionellen Fertigungsprozessen erzielt werden können. Aus der Vielzahl existierender additiver Fertigungsverfahren hat pulverbettbasiertes additives Fertigen von Metallen das Interesse von Wissenschaft und Industrie in besonderem Maße auf sich gezogen, da es die endformnahe Fertigung nahezu unbegrenzter Geometrien erlaubt und darüber hinaus über das Potential verfügt, die metallische Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften von Bauteilen punktweise zu steuern. Andererseits sind diese Fertigungsverfahren hoch-komplex und beruhen auf einer Vielzahl physikalischer Mechanismen. Eine Suboptimale Wahl der Prozessparameter kann zu beeinträchtigten Materialeigenschaften oder sogar zum Versagen des Bauteils während des Herstellprozesses führen. Die Komplexität dieser Prozesses erlaubt es daher nicht, optimale Prozessparameter via Trial-and-Error zu bestimmen, sondern verlangt vielmehr den Einsatz vorhersagefähiger Prozesssimulation.Das Kernziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines physikbasierten Models, eingebettet in eine hocheffiziente numerische Formulierung, welche die vorhersagefähige Simulation von pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren auf Bauteilskala ermöglicht und gleichzeitig essentielle thermomechanische Effekte und Prozesscharakteristika auf der Längenskala der Pulverschichtdicke widergibt. Um dieses Ziel zu erreichen, werden innovative Formulierungen für nicht-konforme und adaptive Finite-Elemente-Diskretisierungen sowie neuartige Techniken für kombinierte projektionsbasierte und physikalisch inspirierte Modelordnungsreduktion vorgeschlagen, welche die Prozesscharakteristika von pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren optimal ausnutzen. Während das resultierende Vorwärtsmodell die Vorhersage von Eigenspannungen, thermischem Verzug und Materialverhalten auf Bauteilskala ermöglicht, werden moderne Ansätze der inversen Analyse verfolgt, um darüber hinaus auch inverse thermomechanische Herausforderungen bewältigen zu können. Inverse Probleme wie etwa die optimale Kompensierung von thermischem Verzug durch eine entsprechend angepasste Anfangsgeometrie sind von höchster praktischer Relevanz und können durch Kombination von Methoden zur inversen Analyse mit Techniken der Modellordnungsreduktion sehr effizient gelöst werden. Die Genauigkeit, Effizienz und Vorhersagefähigkeit des Modellierungsansatzes wird anhand hochauflösender numerischer und experimenteller Daten aus ausgewählten Benchmark-Tests bewertet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor A. John Hart, Ph.D.