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Numerische Simulation

Forschungsbereich Numerische Simulation

In der Arbeitsgruppe Numerische Simulation werden neue Softwarelösungen entwickelt:
  • Prozesssimulation der strahlbasierten additiven Fertigung im Pulverbett
  • Multikriteriellen Optimierung für die Legierungsentwicklung
  • Prozesssimulation der Schaumbildung

Ziel ist es, Erklärungen für die im Prozess auftretenden Phänomene und Vorhersagen für neue Prozessstrategien bzw. Legierungen zu erhalten. Dabei werden sowohl die zugrundeliegenden Effekte physikalisch modelliert, numerisch implementiert und mit Experimenten validiert. Zur Anwendung kommen dabei verschiedenste numerische Ansätze, wie die Gitter-Boltzmann-Methode, Finite-Differenzen-Methoden, Zellulare Automaten und probabilistische sowie deterministische Suchverfahren.

Team

Mitarbeiterfoto Matthias Markl
Matthias Markl, Dr.-Ing.
Mitarbeiterfoto Robert Scherr
Robert Scherr, M.Sc.
Mitarbeiterfoto Mohammad Azadi
Mohammad Azadi, M.Sc.
Mitarbeiterbild Zerong Yang
Zerong Yang, M.Sc.
Mitarbeiterbild Christoph Breuning
Christoph Breuning, M.Sc.
Mitarbeiterfoto Benjamin Wahlmann
Benjamin Wahlmann, M.Sc.
Mitarbeiterfoto Jonas Böhm
Jonas Böhm, M.Sc.

Arbeitsgebiete

Simulation der additiven Fertigung

Multikriterielle Optimierung

Simulation der Schaumbildung

Publikationen zu diesem Forschungsbereich

Beiträge in Fachzeitschriften

  • Wahlmann B., Bandorf J., Volz N., Förner A., Pröbstle J., Multerer K., Göken M., Markl M., Neumeier S., Körner C.:
    Numerical Design of CoNi-Base Superalloys With Improved Casting Structure
    In: Metallurgical and Materials Transactions A-Physical Metallurgy and Materials Science (2022)
    ISSN: 1073-5623
    DOI: 10.1007/s11661-022-06870-4
  • Yang Z., Markl M., Körner C.:
    Predictive simulation of bulk metallic glass crystallization during laser powder bed fusion
    In: Additive Manufacturing 59 (2022), Art.Nr.: 103121
    ISSN: 2214-7810
    DOI: 10.1016/j.addma.2022.103121
  • Breuning C., Pistor J., Markl M., Körner C.:
    Basic Mechanism of Surface Topography Evolution in Electron Beam Based Additive Manufacturing
    In: Materials 15 (2022), Art.Nr.: 4754
    ISSN: 1996-1944
    DOI: 10.3390/ma15144754
  • Breuning C., Arnold C., Markl M., Körner C.:
    A multivariate meltpool stability criterion for fabrication of complex geometries in electron beam powder bed fusion
    In: Additive Manufacturing 45 (2021), Art.Nr.: 102051
    ISSN: 2214-7810
    DOI: 10.1016/j.addma.2021.102051
  • Rausch A., Pistor J., Breuning C., Markl M., Körner C.:
    New grain formation mechanisms during powder bed fusion
    In: Materials 14 (2021), Art.Nr.: 3324
    ISSN: 1996-1944
    DOI: 10.3390/ma14123324
  • Kergaßner A., Köpf J., Markl M., Körner C., Mergheim J., Steinmann P.:
    A Novel Approach to Predict the Process-Induced Mechanical Behavior of Additively Manufactured Materials
    In: Journal of Materials Engineering and Performance (2021)
    ISSN: 1059-9495
    DOI: 10.1007/s11665-021-05725-0
  • Yang Z., Al-Mukadam R., Stolpe M., Markl M., Deubener J., Körner C.:
    Isothermal crystallization kinetics of an industrial-grade Zr-based bulk metallic glass
    In: Journal of Non-Crystalline Solids 573 (2021), Art.Nr.: 121145
    ISSN: 0022-3093
    DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2021.121145
  • Macauley C., Heller M., Rausch A., Kümmel F., Felfer P.:
    A versatile cryo-transfer system, connecting cryogenic focused ion beam sample preparation to atom probe microscopy
    In: PLoS ONE 16 (2021), Art.Nr.: e0245555
    ISSN: 1932-6203
    DOI: 10.1371/journal.pone.0245555
  • Küng V., Scherr R., Markl M., Körner C.:
    Multi-material model for the simulation of powder bed fusion additive manufacturing
    In: Computational Materials Science 194 (2021)
    ISSN: 0927-0256
    DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110415
  • Yang Z., Bauereiß A., Markl M., Körner C.:
    Modeling laser beam absorption of metal alloys at high temperatures for selective laser melting
    In: Advanced Engineering Materials 23 (2021), Art.Nr.: 2100137
    ISSN: 1438-1656
    DOI: 10.1002/adem.202100137
  • Wahlmann B., Leidel D., Markl M., Körner C.:
    Numerical Alloy Development for Additive Manufacturing towards Reduced Cracking Susceptibility
    In: Crystals 11 (2021)
    ISSN: 2073-4352
    DOI: 10.3390/cryst11080902
  • Rausch A., Gotterbarm M., Pistor J., Markl M., Körner C.:
    New grain formation by constitutional undercooling due to remelting of segregated microstructures during powder bed fusion
    In: Materials 13 (2020), S. 1-14
    ISSN: 1996-1944
    DOI: 10.3390/ma13235517
  • Körner C., Markl M., Koepf JA.:
    Modeling and Simulation of Microstructure Evolution for Additive Manufacturing of Metals: A Critical Review
    In: Metallurgical and Materials Transactions A-Physical Metallurgy and Materials Science (2020)
    ISSN: 1073-5623
    DOI: 10.1007/s11661-020-05946-3
  • Müller A., Sprenger M., Ritter N., Rettig R., Markl M., Körner C., Singer R.:
    MultOpt++: a fast regression-based model for the constraint violation fraction due to composition uncertainties
    In: Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 27 (2019)
    ISSN: 0965-0393
    DOI: 10.1088/1361-651X/aaf01e
  • Müller A., Roslyakova I., Sprenger M., Git P., Rettig R., Markl M., Körner C., Singer R.:
    MultOpt++: a fast regression-based model for the development of compositions with high robustness against scatter of element concentrations
    In: Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 27 (2019)
    ISSN: 0965-0393
    DOI: 10.1088/1361-651X/aaf0b8
  • Köpf J., Soldner D., Ramsperger M., Mergheim J., Markl M., Körner C.:
    Numerical microstructure prediction by a coupled finite element cellular automaton model for selective electron beam melting
    In: Computational Materials Science 162 (2019), S. 148-155
    ISSN: 0927-0256
    DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.03.004
  • Markl M., Rausch A., Küng V., Körner C.:
    SAMPLE: A Software Suite to Predict Consolidation and Microstructure for Powder Bed Fusion Additive Manufacturing
    In: Advanced Engineering Materials (2019), Art.Nr.: 1901270
    ISSN: 1438-1656
    DOI: 10.1002/adem.201901270
  • Markl M., Müller A., Ritter N., Hofmeister M., Naujoks D., Schaar H., Abrahams K., Frenzel J., Subramanyam APA., Ludwig A., Pfetzing-Micklich J., Hammerschmidt T., Drautz R., Steinbach I., Rettig R., Singer R., Körner C.:
    Development of Single-Crystal Ni-Base Superalloys Based on Multi-criteria Numerical Optimization and Efficient Use of Refractory Elements
    In: Metallurgical and Materials Transactions A-Physical Metallurgy and Materials Science 49A (2018), S. 4134-4145
    ISSN: 1073-5623
    DOI: 10.1007/s11661-018-4759-0
  • Osmanlic F., Wudy K., Laumer T., Schmidt M., Drummer D., Körner C.:
    Modeling of Laser Beam Absorption in a Polymer Powder Bed
    In: Polymers 10 (2018)
    ISSN: 2073-4360
    DOI: 10.3390/polym10070784
  • Köpf J., Gotterbarm M., Markl M., Körner C.:
    3D multi-layer grain structure simulation of powder bed fusion additive manufacturing
    In: Acta Materialia 152 (2018), S. 119-126
    ISSN: 1359-6454
    DOI: 10.1016/j.actamat.2018.04.030
  • Markl M., Körner C.:
    Powder layer deposition algorithm for additive manufacturing simulations
    In: Powder Technology 330 (2018), S. 125-136
    ISSN: 0032-5910
    DOI: 10.1016/j.powtec.2018.02.026
  • Rausch A., Markl M., Körner C.:
    Predictive simulation of process windows for powder bed fusion additive manufacturing: Influence of the powder size distribution
    In: Computers & Mathematics with Applications (2018)
    ISSN: 0898-1221
    DOI: 10.1016/j.camwa.2018.06.029
  • Küng V., Osmanlic F., Markl M., Körner C.:
    Comparison of passive scalar transport models coupled with the Lattice Boltzmann method
    In: Computers & Mathematics with Applications (2018)
    ISSN: 0898-1221
    DOI: 10.1016/j.camwa.2018.01.017
  • Rausch A., Küng V., Pobel C., Markl M., Körner C.:
    Predictive Simulation of Process Windows for Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: Influence of the Powder Bulk Density
    In: Materials 10 (2017)
    ISSN: 1996-1944
    DOI: 10.3390/ma10101117
  • Riedlbauer DR., Scharowsky T., Singer R., Steinmann P., Körner C., Mergheim J.:
    Macroscopic simulation and experimental measurement of melt pool characteristics in selective electron beam melting of Ti-6Al-4V
    In: International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2017)
    ISSN: 0268-3768
    DOI: 10.1007/s00170-016-8819-6
    URL: http://link.springer.com/article/10.1007/s00170-016-8819-6
  • Markl M., Lodes M., Franke M., Körner C.:
    Additive Fertigung durch selektives Elektronenstrahlschmelzen
    In: Schweissen und Schneiden (2017), S. 30-39
    ISSN: 0036-7184
  • Klassen A., Forster V., Körner C.:
    A multi-component evaporation model for beam melting processes
    In: Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 25 (2017), Art.Nr.: 025003
    ISSN: 1361-651X
    DOI: 10.1088/1361-651X/aa5289
  • Markl M., Lodes M., Franke M., Körner C.:
    Additive manufacturing using selective electron beam melting
    In: Welding and Cutting (2017), S. 177-184
    ISSN: 1612-3433
  • Rai A., Helmer H., Körner C.:
    Simulation of grain structure evolution during powder bed based additive manufacturing
    In: Additive Manufacturing 13 (2017), S. 124-134
    ISSN: 2214-7810
    DOI: 10.1016/j.addma.2016.10.007
  • Klassen A., Forster V., Jüchter V., Körner C.:
    Numerical simulation of multi-component evaporation during selective electron beam melting of TiAl
    In: Journal of Materials Processing Technology 247 (2017), S. 280-288
    ISSN: 0924-0136
    DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.04.016
  • Markl M., Körner C.:
    Multiscale Modeling of Powder Bed-Based Additive Manufacturing
    In: Annual Review of Materials Research 46 (2016), S. 93-123
    ISSN: 1531-7331
    DOI: 10.1146/annurev-matsci-070115-032158
  • Osmanlic F., Körner C.:
    Lattice Boltzmann method for Oldroyd-B fluids
    In: Computers & Fluids 124 (2016), S. 190-196
    ISSN: 0045-7930
    DOI: 10.1016/j.compfluid.2015.08.004
  • Rai A., Markl M., Körner C.:
    A coupled Cellular Automaton–Lattice Boltzmann model for grain structure simulation during additive manufacturing
    In: Computational Materials Science 124 (2016), S. 37-48
    ISSN: 0927-0256
    DOI: 10.1016/j.commatsci.2016.07.005
  • Markl M., Ammer R., Rüde U., Körner C.:
    Numerical investigations on hatching process strategies for powder-bed-based additive manufacturing using an electron beam
    In: International Journal of Advanced Manufacturing Technology 78 (2015), S. 239-247
    ISSN: 0268-3768
    DOI: 10.1007/s00170-014-6594-9
    URL: http://link.springer.com/article/10.1007/s00170-014-6594-9
  • Markl M., Körner C.:
    Free surface Neumann boundary condition for the advection-diffusion lattice Boltzmann method
    In: Journal of Computational Physics 301 (2015), S. 230-246
    ISSN: 0021-9991
    DOI: 10.1016/j.jcp.2015.08.033
  • Ammer R., Markl M., Jüchter V., Körner C., Rüde U.:
    Validation Experiments for LBM Simulations of Electron Beam Melting
    In: International Journal of Modern Physics C (2014), S. 1-9
    ISSN: 0129-1831
    DOI: 10.1142/S0129183114410095
    URL: http://arxiv.org/pdf/1402.2440.pdf
  • Klassen A., Bauereiß A., Körner C.:
    Modelling of electron beam absorption in complex geometries
    In: Journal of Physics D-Applied Physics 47 (2014), Art.Nr.: 065307
    ISSN: 0022-3727
    DOI: 10.1088/0022-3727/47/6/065307
  • Ammer R., Ljungblad U., Markl M., Körner C., Rüde U.:
    Simulating fast electron beam melting with a parallel thermal free surface lattice Boltzmann method
    In: Computers & Mathematics with Applications 67 (2014), S. 318-330
    ISSN: 0898-1221
    DOI: 10.1016/j.camwa.2013.10.001
    URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0898122113005944
  • Bauereiß A., Scharowsky T., Körner C.:
    Defect generation and propagation mechanism during additive manufacturing by selective beam melting
    In: Journal of Materials Processing Technology 214 (2014), S. 2522-2528
    ISSN: 0924-0136
    DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2014.05.002
  • Klassen A., Scharowsky T., Körner C.:
    Evaporation model for beam based additive manufacturing using free surface lattice Boltzmann methods
    In: Journal of Physics D: Applied Physics 47 (2014), Art.Nr.: 275303
    ISSN: 0022-3727
    DOI: 10.1088/0022-3727/47/27/275303
  • Körner C., Bauereiß A., Attar E.:
    Fundamental consolidation mechanisms during selective beam melting of powders
    In: Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 21 (2013), Art.Nr.: 085011
    ISSN: 0965-0393
    DOI: 10.1088/0965-0393/21/8/085011
  • Markl M., Ammer R., Ljungblad U., Rüde U., Körner C.:
    Electron beam absorption algorithms for electron beam melting processes simulated by a three-dimensional thermal free surface lattice Boltzmann method in a distributed and parallel environment
    In: Procedia Computer Science 18 (2013), S. 2127-2136
    ISSN: 1877-0509
    DOI: 10.1016/j.procs.2013.05.383
    URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877050913005267
  • Inayat A., Schwerdtfeger J., Freund H., Körner C., Singer R., Schwieger W., Freund H.:
    Periodic open-cell foams: Pressure drop measurements and modeling of an ideal tetrakaidecahedra packing
    In: Chemical Engineering Science 66 (2011), S. 2758-2763
    ISSN: 0009-2509
    DOI: 10.1016/j.ces.2011.03.031
  • Körner C., Attar E., Heinl P.:
    Mesoscopic simulation of selective beam melting processes
    In: Journal of Materials Processing Technology 211 (2011), S. 978-987
    ISSN: 0924-0136
    DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2010.12.016
  • Attar E., Körner C.:
    Lattice Boltzmann model for thermal free surface flows with liquid-solid phase transition
    In: International Journal of Heat and Fluid Flow 32 (2011), S. 156-163
    ISSN: 0142-727X
    DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2010.09.006
  • Attar E., Körner C.:
    Lattice Boltzmann method for dynamic wetting problems
    In: Journal of Colloid and Interface Science 335 (2009), S. 84-93
    ISSN: 0021-9797
    DOI: 10.1016/j.jcis.2009.02.055
  • Thürey N., Pohl T., Rüde U., Oechsner M., Körner C.:
    Optimization and Stabilization of LBM Free Surface FlowSimulations using Adaptive Parameterization
    In: Computers & Fluids 35 (2006), S. 934-939
    ISSN: 0045-7930
    URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004579300500157X/pdfft?md5=59701b54104d0daae6791fd1b2140ffa&pid=1-s2.0-S004579300500157X-main.pdf
  • Körner C., Thies M., Hofmann T., Thürey N., Rüde U.:
    Lattice Boltzmann Model for Free Surface Flow for Modeling Foaming
    In: Journal of Statistical Physics 121 (2005), S. 179-196
    ISSN: 0022-4715
    DOI: 10.1007/s10955-005-8879-8
    URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.321.499&rep=rep1&type=pdf
  • Körner C., Thies M., Singer R.:
    Modeling of metal foaming with lattice Boltzmann automata
    In: Advanced Engineering Materials 4 (2002), S. 765-769
    ISSN: 1438-1656
    DOI: 10.1002/1527-2648(20021014)4:103.0.CO;2-M

Beiträge in Sammelwerken

  • Körner C., Pohl T., Rüde U., Thürey N., Zeiser T.:
    Parallel Lattice Boltzmann Methods for CFD Applications
    In: Numerical Solution of Partial Differential Equations on Parallel Computers, New York: Springer, 2005, S. 439-465 (Lecture Notes in Computational Science and Engineering, Bd.51)
    ISBN: 3-540-29076-1

    URL: https://www10.informatik.uni-erlangen.de/Publications/Papers/2005/LBMCFD_LNCSE51.pdf
  • Körner C., Singer R.:
    The Physics of Foaming: Structure Formation and Stability
    In: B. Kriszt, H. P. Degischer (Hrsg.): Handbook of Cellular Metals, München: Wiley-VCH, 2002, S. 33-43
    ISBN: 3-527-30339-1

Beiträge bei Tagungen

  • Köpf J., Rasch M., Meyer A., Markl M., Schmidt M., Körner C.:
    3D grain growth simulation and experimental verification in laser beam melting of IN718
    10th CIRP Conference on Photonic Technologies (LANE 2018) (Fürth, 4. September 2018 - 6. September 2018)
    In: Procedia CIRP 74 (2018) 2018
    Open Access: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212827118308187/pdf?md5=ea85f15a94f75d82fce787e5b0a20225πd=1-s2.0-S2212827118308187-main.pdf
    URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212827118308187/pdf?md5=ea85f15a94f75d82fce787e5b0a20225πd=1-s2.0-S2212827118308187-main.pdf
  • Hübner D., Gotterbarm M., Kergaßner A., Köpf J., Pobel C., Markl M., Mergheim J., Steinmann P., Körner C., Stingl M.:
    Topology Optimization in Additive Manufacturing Considering the Grain Structure of Inconel 718 using Numerical Homogenization
    iCAT 2018 (Maribor, 10. Oktober 2018 - 11. Oktober 2018)
    In: Proceedings of 7th International Conference on Additive Technologies 2018
  • Köpf J., Markl M., Körner C.:
    3D multilayer grain structure simulation for beam-based additive manufacturing
    2017 Simulation for Additive Manufacturing, Sinam 2017 (Munich, DEU, 11. Oktober 2017 - 13. Oktober 2017)
    In: Simulation for Additive Manufacturing 2017, Sinam 2017 2017
  • Markl M., Rausch A., Forster V., Pobel C., Körner C.:
    Predictive numerical simulations of processing windows for powder bed based additive manufacturing
    2017 Simulation for Additive Manufacturing, Sinam 2017 (Munich, 11. Oktober 2017 - 13. Oktober 2017)
    In: Simulation for Additive Manufacturing 2017, Sinam 2017 2017
  • Köpf J., Rai A., Markl M., Körner C.:
    3D Grain Structure Simulation for Beam-Based Additive Manufacturing
    6th International Conference on Additive Technologies iCAT (Nürnberg, 29. November 2017 - 30. November 2016)
    In: Proceedings of the 6th International Conference on Additive Technologies iCAT 2016 2016
  • Markl M., Bauereiß A., Rai A., Körner C.:
    Numerical Investigations of Selective Electron Beam Melting on the Powder Scale
    Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference 2016 (Berlin, 16. März 2016 - 17. März 2016)
    In: Proceedings of the Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference 2016 2016
  • Bauer M., Schornbaum F., Godenschwager C., Markl M., Anderl D., Köstler H., Rüde U.:
    A Python extension for the massively parallel framework waLBerla
    4th Workshop on Python for High Performance and Scientific Computing (New Orleans, 17. November 2014 - 17. November 2014)
    In: online 2014
    URL: http://www.dlr.de/sc/Portaldata/15/Resources/dokumente/pyhpc2014/submissions/pyhpc2014_submission_5.pdf
  • Scharowsky T., Bauereiß A., Singer R., Körner C.:
    Observation and numerical simulation of melt pool dynamic and beam powder interaction during selective electron beam melting
    23rd Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium - An Additive Manufacturing Conference, SFF 2012 (Austin, TX)
    URL: https://www.scopus.com/inward/record.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=84889688177&origin=inward
  • Körner C., Attar E.:
    Numerical Simulation of Foam Solidification Phenomena
    MetFoam 2009 (Bratislava)
    In: MetFoam 2009 - Proceedings of the 6th Interational Conference on Porous Matals and Metallic Foams 2009
  • Oechsner M., Thies M., Arnold M., Körner C., Singer R.:
    Simulation of Metal Foam Formation with the Lattice Boltzmann Method
    International Symposium on Cellular Metals and Polymers (Fürth)
    In: R.F. Singer, C. Körner, V. Altstädt, H. Münstedt (Hrsg.): Cellular Metals and Polymers, Zürich: 2005
  • Körner C., Pohl T., Rüde U., Thürey N., Hofmann T.:
    FreeWIHR: Lattice Boltzmann Methods with Free Surfaces and their Application in Material Technology
    KONWIHR Results Workshop (Garching)
    In: High Performance Computing in Science and Engineering, Garching 2004, Berlin/Heidelberg: 2005
  • Körner C., Thies M., Arnold M., Singer R.:
    Modelling of metal foaming by in-situ gas formation.
    MetFoam 2001 (Bremen, 18. Juni 2001 - 20. Juni 2001)
    In: J. Banhart, M. F. Ashby, N. A. Fleck (Hrsg.): Cellular Metals and Foaming Technology, Bremen: 2001
  • Arnold M., Körner C., Thies M., Singer R.:
    Experimental and Numerical Investigation of the Formation of Metal Foam
    Materials Week 2000 (München, 25. September 2000 - 28. September 2000)
  • Körner C., Singer R.:
    Numerical Simulation of Foam Formation and Evolution with Modified Cellular Automata
    MetFoam '99 (Bremen)
    In: J. Banhart, M. F. Ashby, N. A. Fleck (Hrsg.): Metal Foams and Porous Metal Structures, Bremen: 1999

Abschlussarbeiten

  • Osmanlic F.:
    Modeling of Selective Laser Sintering of Viscoelastic Polymers (Dissertation, 2019)
  • Bauereiß A.:
    Mesoskopische Simulation des selektiven Strahlschmelzens mittels einer Lattice Boltzmann Methode mit dynamischer Gitteranpassung (Dissertation, 2018)
  • Klassen A.:
    Simulation von Verdampfungsphänomenen beim selektiven Elektronenstrahlshmelzen (Dissertation, 2017)
  • Markl M.:
    Numerische Modellierung und Simulation des selektiven Elektronenstrahlschmelzens basierend auf einer gekoppelten Gitter Boltzmann und Diskrete Element Methode (Dissertation, 2015)
  • Attar E.:
    Simulation of Selective Electron Beam Melting Process (Dissertation, 2011)
  • Thies M.:
    Modellierung des Schaumbildungsprozesses von Metallen mit Hilfe der Lattice-Boltzmann-Methode (Dissertation, 2005)

Sonstige

  • Thürey N., Rüde U., Körner C.:
    Interactive Free Surface Fluids with the Lattice Boltzmann Method
    (2005), S. 10
    URL: https://www10.cs.fau.de/publications/reports/TechRep_2005-04.pdf
  • Körner C., Pohl T., Rüde U., Thürey N., Hofmann T.:
    FreeWiHR --- LBM with Free Surfaces
    (2004), S. 15
    URL: https://www10.cs.fau.de/publications/reports/TechRep_2004-06.pdf
  • Rüde U., Thürey N., Körner C., Pohl T.:
    Simulation von Metallschaum mittels der Lattice-Boltzmann Methode
    35 (2003), S. 4-8

Projekte zu diesem Forschungsbereich

SFB/TRR 103 (C07): Multikriterielle Berechnung optimaler Zusammensetzungen einkristalliner Superlegierungen

A new numerical tool will be explored that supports the experimental alloy developer in defining new compositions with potential for high strength. Starting with a composition space that is defined by the developer based on his metallurgical experience and his design goals, the numerical tool will propose the most promising compositions. The research program will on the one hand address open questions regarding the mathematical optimization in this application and on the other hand new models for predicting the relevant material properties.

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SAPHIR: Simulationsmethoden zum additiven Prozessieren von Hochtemperaturlegierungen – Mikrostruktur, In-service-Eigenschaften und Reparatur

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SFB 814 (T2): Numerische Modellierung von lokalen Materialeigenschaften und daraus abgeleiteten Prozessstrategien für die pulverbettbasierte additive Fertigung massiver metallischer Gläser (T2)

Ziel dieses Projekts ist es, basierend auf prädiktiven numerischen Simulationen die additive Herstellung von Bauteilen aus massiven metallischen Gläsern durch selektives Laserstrahlschmelzen zu ermöglichen. Es sollen geeignete Prozessstrategien erarbeitet werden, die den amorphen Materialzustand möglichst ohne Alterungseffekte sowohl im Volumen als auch für komplexe Geometrien gewährleisten. Dazu müssen mittels der numerischen Simulation neben der Berechnung des Temperaturfeldes und der Materialkonsolidierung während des Fertigungsprozesses auch Aussagen über das Erstarrungsverhalten, die Alterung und schließlich die Kristallisation möglich werden.

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Modellierung und Simulation der Multi-Material-Verarbeitung metallischer Werkstoffe bei der strahlbasierten additiven Fertigung im Pulverbett

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Grundlegende Mechanismen und Modellierung der Mikrostrukturausbildung bei der strahlbasierten additiven Fertigung im Pulverbett

Die strahlbasierte additive Fertigung (AF) von Metallen im Pulverbett bietet nicht nur die Möglichkeit, komplexe, individualisierte Bauteile aus Hochleistungswerkstoffen herzustellen, sondern eröffnet darüber hinaus auch das Potenzial, die lokalen Materialeigenschaften durch geschickte Prozessführung einzustellen. Durch Variation der Erstarrungsbedingungen ist es möglich, die Größenskala der Mikrostruktur zu verändern. Darüber hinaus deuten aktuelle Forschungsergebnisse darauf hin, dass auch die Textur des Bauteils durch die Prozessführung einstellbar ist. Dadurch eröffnen sich ganz neue Perspektiven hinsichtlich der Optimierung von Leichtbauteilen, da nicht nur die Topologie, sondern auch die Textur des Materials lokal den Lasten angepasst werden könnte. Um diese Texturausbildung zu verstehen und gezielt zu beeinflussen, muss der hochdynamische Nichtgleichgewichts-Erstarrungsprozess (Kornwachstum, Kornselektion und Keimbildung) grundlegend verstanden werden. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass vor allen Dingen die Mechanismen der Keimbildung für die extremen Bedingungen der AF unzureichend geklärt sind und mit klassischen Modellen nicht abgebildet werden können.Ziel dieses Antrages ist es, die Mechanismen der Mikrostrukturausbildung, insbesondere der Keimbildung unter den speziellen Erstarrungsbedingungen, zu identifizieren, grundlegend zu verstehen und physikalisch zu modellieren. Dieses Modell soll in eine bereits bestehende, an unserem Lehrstuhl entwickelte Software integriert werden. Die Erstellung und Verifikation des Modells erfolgt experimentell, anhand von additiv gefertigten IN718 Proben. Am Projektende soll ein Modell vorliegen, welches die numerische Vorhersage der Erstarrungsstruktur, Kornstruktur und Texturentwicklung bei der strahlbasierten AF im Pulverbett erlaubt.Das Projekt erweitert die von uns entwickelte Software zur Simulation der Konsolidierung bei strahlbasierter AF im Pulverbett. Die Software beinhaltet eine Lattice Boltzmann Methode zur Abbildung der Hydro- und Thermodynamik während des Schmelzens und Erstarrens. An diese Methode ist ein zellularer Automat gekoppelt, der die Ausbildung der Kornstruktur während des Erstarrens modelliert, ohne bisherige Berücksichtigung der Keimbildung. Der hier von uns verfolgte neue theoretische Ansatz besteht darin, neben dem Temperaturgradienten und der Erstarrungsgeschwindigkeit an der Erstarrungsfront, erstmals auch Information über das in der vorhergehenden Schicht erzeugte Gefüge (Orientierung, Abstand der Zellen/Dendriten, Segregationen) und die lokale Zusammensetzung der Schmelze direkt an der Grenzfläche zur neu entstehenden Schicht zu berücksichtigen. Es soll untersucht werden, wie Richtungswechsel der Erstarrungsfront in Kombination mit vorliegenden Segregationen im rasch erschmolzenen Material (Gedächtnis der Schmelze) durch lokale Unterkühlung Keimbildung induzieren können. Diese Erkenntnisse werden dann mathematisch im Modell für die Keimbildung umgesetzt.

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SFB 814 (B04): Mesoskopische Simulation des selektiven Strahlschmelzens (B4)

Die grundlegenden Mechanismen, die beim Pulverschmelzen und der Werkstoffverdichtung im selektiven Strahlschmelzprozess wesentlich sind, sind bisher wenig verstanden. Der Großteil der in der Literatur vorhandenen analytischen und numerischen Modelle beschreibt den Konsolidierungsprozess in einem homogenisierten Bild, d. h. einzelne Pulverpartikel werden nicht aufgelöst. Dieses Vorgehen gibt zwar Auskunft über Mittelwerte, kann aber den lokalen Einfluss des Pulvers nicht erfassen, wie z. B. die Pulvergrößenverteilung, den stochastischen Effekt der Pulverschüttung, die Benetzung des Pulvers durch die Schmelze und die Ausbildung des Schmelzbads. Der eigentliche selektive Schmelzprozess und die dabei wirkenden Mechanismen können nur mit Hilfe der numerischen Simulation auf mesoskopischer Skala, d. h. auf der Skala der Pulverpartikel, verstanden werden. Ziel dieses Projektes ist es, ein numerisches Werkzeug zur mesoskopischen Simulation des selektiven Strahlschmelzens zu schaffen und zur Entwicklung von innovativen Prozessstrategien zu nutzen. Die mesoskopische Skala gestattet die Vorhersage von Defekten, der Oberflächengüte und der Strukturgenauigkeit für verschiedene Werkstoffe als Funktion der Materialparameter (Pulverform, Schüttdichte, ...) und der Prozessparameter (Strahlform, Streckenenergie, Geschwindigkeit, ...).
In der ersten Phase wurde ein Programm zur 2D-Simulation des selektiven Elektronenstrahlschmelzens entwickelt und anhand experimenteller Ergebnisse validiert. Die Hauptaufgabe bestand in der Abbildung des gesamten Aufbauprozesses, da dieser von unterschiedlichen Zeitskalen (Vorheizen, Schmelzen, Auftrag der Pulverschicht) geprägt wird. Dabei wird, unter anderem, die komplexe Einkopplung des Strahles in das Pulver, Strahlungsverluste an der Oberfläche, Masse- und Energieverlust durch Verdampfung und die Deformation des Schmelzbads durch den Verdampfungsdruck berücksichtigt. Das Programm ist nun in der Lage, Aufbauprozesse unter Berücksichtigung unterschiedlicher Scanstrategien über viele Schichten zu simulieren. So konnten unterschiedliche Prozessstrategien, wie z. B. die Remelt-Strategie, die Refill-Strategie, untersucht werden. Die Verifikation der numerischen Resultate erfolgt in enger Zusammenarbeit mit TP B2.
In der zweiten Phase soll zum einen, um auch das Laserschmelzen von Polymeren simulieren zu können, das bisherige Modell auf Polymere übertragen und implementiert werden. Dazu muss die Absorption des Laserstrahls im teilweise transparenten stochastischen Pulverbett sowie das hochviskose, viskoelastische Materialverhalten beschrieben werden. Die Erarbeitung und Verifikation des Modells erfolgt in Zusammenarbeit mit Teilprojekt TP B3. In einem weiteren Schritt wird eine Methode zur 3D-Simulation der Kornstruktur beim selektiven Strahlschmelzen von Metallen implementiert, um die Textur der Werkstoffe als Funktion der Prozessstrategie vorhersagen zu können.

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AMAZE: Additive Manufacturing Aiming Towards Zero Waste & Efficient Production of High-Tech Metal Products

The overarching goal of AMAZE is to rapidly produce large defect-free additively-manufactured (AM) metallic components up to 2 metres in size, ideally with close to zero waste, for use in the following high-tech sectors namely: aeronautics, space, automotive, nuclear fusion and tooling.

Four pilot-scale industrial AM factories will be established and enhanced, thereby giving EU manufacturers and end-users a world-dominant position with respect to AM production of high-value metallic parts, by 2016. A further aim is to achieve 50% cost reduction for finished parts, compared to traditional processing.

The project will design, demonstrate and deliver a modular streamlined work-flow at factory level, offering maximum processing flexibility during AM, a major reduction in non-added-value delays, as well as a 50% reduction in shop-floor space compared with conventional factories.

AMAZE will dramatically increase the commercial use of adaptronics, in-situ sensing, process feedback, novel post-processing and clean-rooms in AM, so that (i) overall quality levels are improved, (ii) dimensional accuracy is increased by 25% (iii) build rates are increased by a factor of 10, and (iv) industrial scrap rates are slashed to <5%. Scientifically, the critical links between alloy composition, powder/wire production, additive processing, microstructural evolution, defect formation and the final properties of metallic AM parts will be examined and understood. This knowledge will be used to validate multi-level process models that can predict AM processes, part quality and performance. In order to turn additive manufacturing into a mainstream industrial process, a sharp focus will also be drawn on pre-normative work, standardisation and certification, in collaboration with ISO, ASTM and ECSS. The team comprises 31 partners: 21 from industry, 8 from academia and 2 from intergovernmental agencies. This represent the largest and most ambitious team ever assembled on this topic.

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SIMCHAIN: Development of physically based simulation chain for microstructure evolution and resulting mechanical properties focused on additive manufacturing processes

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FastEBM: High Productivity Electron Beam Melting Additive Manufacturing Development for the Part Production Systems Market

Electron beam melting additive manufacturing is used to produce successive layers of a part in a powder bed and offers the ability to produce components closest to their final dimensions, with good surface finish. At this time the process is faster than any other technique of comparable quality, however the parts are not produced at sufficient rate to make them economically viable for any but very high value specific applications. One key output of the project will be the knowledge surrounding the use of the high powder electron beam gun, including the process control, and modeled and validated understanding of beam-powder bed interaction. The target objectives is the transfer of the 2D model to a 3D model and its parallel implementation. The outcome of the simulation will be compared with real experimental data and therefore the model parameters are adjusted in such a way that the resulting numerical melt pool sizes correspond to the experimental ones.

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Lattice Boltzmann Methode mit freien Oberflächen für viskoelastische Materialien und deren Anwendung zur Simulation der Schaumbildung

Geschäumte Materialien stellen aufgrund ihrer zellularen Struktur eine interessante Materialklasse mit attraktiven Eigenschaften dar. Unabhängig vom Material ist die Schaumbildung im Allgemeinen wenig verstanden und die Schaumherstellung basiert im Wesentlichen auf dem Trial-and-Error-Prinzip. Die numerische Simulation eröffnet hier neue Wege, grundlegende Phänomene bei der Schaumbildung zu er-forschen und die daraus abgeleiteten Erkenntnisse praktisch umzusetzen. Basis für das beantragte Projekt ist eine von uns in den vergangenen Jahren entwickelte Software auf Grundlage der Lattice Boltzmann (LB) Methode zur Simulation von Schaumbildungsvorgängen von flüssigen Metallen. Ziel dieses Projektes ist es, die vorhandene Methodik und Software weiterzuentwickeln, um erstmals auch die grundlegenden Phänomene bei der Schaumbildung von viskoelastischen Materialien numerisch zugänglich zu machen. Dazu ist eine Weiterentwicklung der LB Methodik für viskoelastische Fluide unter Berücksichtigung freier Oberflächen notwendig. Anhand geeigneter numerischer Experimente soll schließlich die Rolle der Viskoelastizität bei der Herstellung von geschäumten Materialien erforscht werden.

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Lattice Boltzmann Methode zur Simulation von Erstarrungsphänomenen bei der Herstellung geschäumter Werkstoffe

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FreeWiHR: FreeWiHR - Simulation von Metallschäumen

Die erfolgreiche Herstellung neuer Materialien setzt in den meisten Fällen die Beherrschung sehr komplexer technologischer Prozesse voraus. Ein besonders hilfreiches Mittel bildet hierbei die numerische Simulation. Sie dient sowohl zum Studium der Prozesskontrolle als auch zur Erhöhung des Prozessverständnisses. Dabei gewinnt in den letzten Jahren die Methode der Zellularen Automaten (ZA) zunehmend an Bedeutung. Zellulare Automaten stellen eine ideale Methode dar, um physikalische Phänomene zu …

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Arbeitsgebiet Modellierung der Additiven Fertigung

Um eine prädiktive Software erstellen zu können sind möglichst exakte physikalische und numerische Modelle notwendig. Der wichtigste Aspekt hierbei ist die korrekte Modellierung des thermischen Haushalts des Prozesses. Nahezu alle Modifikationen der Prozessparameter haben einen Einfluss auf die Wärmeleitung, den Energieeintrag oder den Wärmeverlust durch beispielsweise Wärmestrahlung oder Verdampfung. Weiterhin sind viele Werkstoffparameter temperaturabhängig und somit sensitiv gegenüber einer korrekten Modellierung. Beim Aufschmelzen des Werkstoffs entsteht ein Schmelzbad, dessen Dynamik im Wesentlichen durch Kapillarität, Verdampfungsdrücke, Benetzungseffekte, Marangoni-Strömungen und Gravitation bestimmt wird. Bei der Erstarrung haben der Temperaturgradient und die Erstarrungsgeschwindigkeit einen maßgeblichen Einfluss auf die entstehende Mikrostruktur.

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Arbeitsgebiet SEBM 2D Simulation

Die 2D Simulationssoftware SAMPLE2D des selektiven Elektronenstrahlschmelzens (SEBM) basiert auf der Software zur Modellierung der Schaumbildung. Die Basissoftware wurde um viele Module erweitert: Diese umfassen Funktionalitäten wie Elektronenstrahlabsorption, Phasenumwandlungen, (selektive) Verdampfung oder Kornwachstum. Ziel der Software ist nach einer experimentellen Validierung die Vorhersage von Prozessfester und die Erklärung für im Prozess auftretende Phänomene.

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Arbeitsgebiet SEBM 3D Simulation

Ein Großteil der auftretenden Effekte beim selektiven Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) können mit einer 2D Simulation abgebildet werden. Für eine realistischere Modellierung der Schmelzpooldynamik und des Kornwachstums sind jedoch 3D Simulationen hilfreich. Deswegen wurden am Lehrstuhl WTM hierfür zwei unterschiedliche Programme entwickelt.

Die 3D Simulationssoftware SAMPLE3D der Hydrodynamik erfordert eine hochparallele Implementierung, die in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Systemsimulation entstanden ist. Hier kann die Schmelzpooldynamik und die Konsolidierung in voller räumlicher Dimension untersucht werden. Dadurch konnten Prozessfenster für dichte Bauteile für innovative Prozessstrategien vorhergesagt werden.

Für das Kornwachstum wird die separate Software SAMPLE3DGS entwickelt, die es ermöglicht, alle möglichen Orientierung der Körner während des Prozesses abzubilden. Es wird ein makroskopischer Ansatz gewählt, d.h. hier wird nicht mehr jedes einzelne Pulverpartikel aufgelöst, sondern ein Kontinuum betrachtet. Weiterhin wird hier ausschließlich die Thermodynamik berechnet. Hintergrund ist der hohe Rechenaufwand für Domänen in der Größenordnung realistischer Bauteile.

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Arbeitsgebiet SLM von Polymeren

Es wird, um das selektive Laserschmelzen (SLM) von Polymeren zu untersuchen, das bisherige Modell für Metalle auf Polymere übertragen. Dabei wird werden bei der Energieeinkopplung die veränderten Absorptions- und Reflexionseigenschaften der Photonen auf Polymeren beachtet. Beispielsweise trifft der Laserstrahl auf ein teilweise transparentes stochastisches Pulverbett. Weiterhin wird für das Polymer das rheologische Modell für hochviskose, viskoelastische Materialien wiederverwendet, das auch bei der Schaumbildung Anwendung findet.

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Arbeitsgebiet Multikriterielle Optimierung

In dieser Arbeitsgruppe wird eine Software zur multikriteriellen Optimierung entwickelt. Im speziellen wird diese Software auf die Legierungsentwicklung von Nickel-Basis Legierungen angewendet. Im Fokus stehen hierbei die deterministischen und probabilistischen Modelle zur Findung aller optimalen Lösungen (Pareto Front) im vorgegebenen Suchraum. Durch die Entwicklung der CALPHAD-Methode in den vergangenen Jahrzehnten eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Ergänzung der klassischen Legierungsentwicklungsverfahren, vor allem was die Vorhersage von physikalischen Eigenschaften und Merkmalen der Mikrostruktur angeht. Die meisten Eigenschaftsmodelle beruhen grundlegend auf thermodynamischen oder kinetischen Berechnungen, die mit einer Programmierschnittstelle (TC-API) zur kommerziellen Software ThermoCalc bzw. DICTRA erfolgen.

Die Förderung dieser Arbeitsgruppe erfolgt durch den Sonderforschungsbereich SFB TR 103 „Vom Atom zum Einkristall“ (http://www.sfb-transregio103.de/).

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Arbeitsgebiet Metallschaum auf pulvermetallurgischer Basis

Trotz des Potentials von Metallschäumen für energieabsorbierende und besonders leichte Strukturbauteile konnten sich diese bisher nur wenig durchsetzen. Ein Hindernis für den Einsatz besteht in den Inhomogenitäten der Porenstruktur, wozu starke Variationen in der Porengröße, der Porengeometrie und der Zellwanddicken zählen. Ziel ist es, die bei der Schaumentstehung auf pulvermetallurgischer Basis ablaufenden Prozesse besser verstehen und beeinflussen zu lernen.

Die erarbeitete Simulationssoftware, basierend auf der Gitter Boltzmann Methode, bildet alle wesentlichen Aspekte während der Schaumentstehung ab und erlaubt eine Vorhersage für modifizierte Prozessstrategien. Die Software stützt Ihre Ergebnisse auf der Implementierung der hydrodynamischen, diffusiven und thermodynamischen Erhaltungsgleichungen angewendet auf freie Oberflächen. Die physikalischen Modelle umfassen sowohl das Wachstum, die Vergröberung, die Neuordnung und das Platzen der Blasen als auch Effekte des Schaumnetzwerks wie Alterung und Drainage hervorgerufen durch z.B. Kapillarkräfte oder Gravitation.

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Arbeitsgebiet Viskoelastische Materialien zur Schaumbildung

Geschäumte Materialien stellen aufgrund ihrer zellularen Struktur eine interessante Materialklasse mit attraktiven Eigenschaften dar. Die vorhandene Methodik und Software auf Grundlage der Gitter Boltzmann Methode zur Simulation von Schaumbildungsvorgängen von flüssigen Metallen wurde weiter entwickelt, um erstmals auch die grundlegenden Phänomene bei der Schaumbildung von viskoelastischen Materialien numerisch zugänglich zu machen. Dazu ist eine Weiterentwicklung der Methodik für viskoelastische Fluide unter Berücksichtigung freier Oberflächen entwickelt worden. Anhand geeigneter numerischer Experimente konnte die Rolle der Viskoelastizität bei der Herstellung von geschäumten Materialien erforscht werden.

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SFB 814 (C5): Mesoskopische Modellierung und Simulation der Eigenschaften additiv gefertigter metallischer Bauteile

Ziel dieses Teilprojekts
ist es, aufbauend auf den bisherigen Erkenntnissen der Teilprojekte B4 und C5
den Einfluss der Bauteilränder auf die resultierende
Material/Bauteil-Mesostruktur für pulver- und strahlbasierte additive
Fertigungsverfahren von Metallen zu berücksichtigen und die daraus folgenden
meso- und makroskopischen mechanischen Eigenschaften modellbasiert zu
bestimmen. Das mechanische Verhalten dieser Mesostrukturen und der Einfluss
deren unvermeidbarer fertigungsbasierter geometrischer Unsicherheiten soll
insbesondere für zellulare Gitterstrukturen numerisch modelliert, verifiziert,
quantifiziert und validiert werden.

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