Mehrskalige thermoplastische Analyse in der Erstarrungszone

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Lisa Scheunemann; Professor Dr.-Ing. Jörg Schröder
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434946896

Das Laserstrahlschweißen als flexibles und kontaktloses Fügeverfahren gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die Bearbeitung von Legierungen mit großem Schmelzintervall stellt aufgrund ihrer Neigung zu Erstarrungsrissen jedoch eine Herausforderung dar. Diese entstehen durch kritische Spannungs- bzw. Dehnungszustände der dendritischen Mikrostruktur mit interdendritischer Schmelze. Trotz der hohen industriellen Relevanz existieren bisher lediglich Ansätze, die sich Teilaspekten dieser Problematik - metallurgisch orientiert oder strukturorientiert - widmen. Die Forschungsgruppe „Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse“ setzt sich zum Ziel ein quantitatives Prozessverständnis der Mechanismen der Erstarrungsrissentstehung und des Zusammenhangs mit Prozessparametern zu entwickeln.Da eine Vollfeldauflösung der dendritischen Mikrostruktur mit interdendritischer Schmelze unter Berücksichtigung der hier herrschenden physikalischen Mechanismen zu immens großen Gleichungssystemem führen würde, die keine effiziente Simulation des Prozesses erlauben, kommt in diesem Teilprojekt (TP) ein direktes Homogenisierungverfahren, die FE²-Methode, zur Anwendung. Diese stellt eine Verknüpfung zwischen der dendritischen Erstarrungszone auf der Mikroskale und der Makroskale auf Bauteilebene her. In enger Zusammenarbeit mit TP 5 widmet sich das Projekt der mehrskaligen und multiphysikalischen Modellierung der Prozesse in der Mischzone vor der Erstarrungsfront, in der die kritische Zone für die Entstehung der Erstarrungsrisse liegt. Bei dem Mehrskalenansatz im Rahmen der FE²-Methode für thermomechanisch gekoppelte Probleme werden an jedem makroskopischen Integrationspunkt mikroskopische Randwertprobleme (in Form von repräsentativen Volumenelementen, RVEs) angeheftet und unter energetisch konsistenten Randbedingungen gelöst; die assoziierte Materialantwort auf der Makroskale erfolgt über geeignete Oberflächenintegrale der RVEs. Zur Reduktion der Komplexität der RVEs kommen statistisch ähnliche repräsentativen Volumenelemente (SSRVEs) zur Anwendung, deren Konstruktion auf den Phasenfeldsimulationen der dendritischen Mikrostruktur von TP 6 basiert. Mittels thermoplastischer Materialgesetze wird das Materialverhalten der Einzelphasen auf der Mikroskale erfasst. Die Modellierung auf der Makroskale verlangt die Berücksichtigung des Einflusses des Laserstrahls sowie weiterer Randbedingungen, welche aus den anderen Teilprojekten einfließen. Die effiziente Umsetzung des Mehrskalenansatzes erfordert die Zusammenarbeit speziell mit den Antragsstellern Klawonn/Lanser, die die Nutzung der Algorithmen auf Hochleitsungsrechnern ermöglichen. Diese Vorgehensweise erlaubt eine prädikative Analyse der Entstehung von Erstarrungsrissen auf Basis lokaler Zustandsgrößen der Mikrostruktur in Abhängigkeit von makroskopischen Prozessparametern.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5134: Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse