Disperse Phasenumwandlungsprozesse

Thermophysikalische Stoffwerte wie die Oberflächenspannung oder Viskosität sind entscheidend für die Prozessführung in Prozessen wie der Zerstäubung, dem Schweißen oder der additiven Fertigung. Gleichzeitig sind diese Stoffwerte mit konventionellen Methoden aber sehr aufwändig zu bestimmen und daher nur wenig und unter idealen Prozessbedingungen verfügbar.

Die quantitative Analyse der Tropfenoszillation im freien Fall nach der Tropfenbildung ermöglicht die flexible Bestimmung der Oberflächenspannung und Viskosität einer Metallschmelze in Abhängigkeit der Temperatur auch in reaktiven Atmosphären oder Atmosphären technischer Reinheit. Eine weitergehende Analyse erlaubt zudem die gleichzeitige Ermittlung der Flüssigdichte.

Prozesse mit metallischen Tropfen und additive Fertigungsverfahren beinhalten Erstarrungs- oder Glasbildungsvorgänge. Diese Erstarrungsvorgänge sind abhängig von ortsaufgelösten thermischen Historien, die über die Morphologie und deren Feinheit entscheiden. Bei den genannten Vorgängen kommt es zur Schnellerstarrung, während der einfache Gleichgewichtsmodelle oft nicht mehr anwendbar sind.  Die Modellierung dieser Prozesse auf Basis von Wärme-, Impuls- und Stofftransport unter Einbeziehung verschiedenskaliger Erstarrungsmodelle (auch auf Basis der Phasenfeld-Methode) erlaubt die Identifikation von Prozesswegen zur Einstellung spezifischer Eigenschaften.

In Zeiten des Klimawandels spielen Strategien zur energieeffizienten Rezyklierung von Werkstoffen eine immer größere Rolle. Dies beinhaltet Strategien zur Kompensation von aus der Rezyklierung resultierenden Kontaminationen, um eine die Notwendigkeit der Trennung von Materialien auf ein Minimum zu begrenzen.

Die Breite vorhandener Prozesse vom Gießen über Tropfenprozesse bis hin zur additiven Fertigung bieten vielfältige Möglichkeiten zur Strategieerarbeitung im Modellmaßstab mit der Möglichkeit zur späteren Skalierung.

Wasserstoff als wichtiges Prozessgas und möglicher Energieträger der Zukunft stellt neue Anforderungen an Werkstoffe. Die Prozessierung von Metallschmelzen in wasserstoffreichen Atmosphären erlaubt die schnelle Synthese wasserstoffbeladener Werkstoffe zur Ermittlung z.B. von Versprödungseigenschaften. Gleichzeitig werden Partikel im Milimeter-Maßstab genutzt, um auf der Laborskala effizient neue Werkstoffkonzepte für den Wasserstofftransport und die Wasserstoffspeicherung zu entwickeln.

Das Design und die Anwendung von Zerstäubungsprozessen für Metallschmelzen ist an der Universität Bremen bereits seit Jahrzehnten ein Forschungsthema, dass durch das Wachstum im Bereich der additiven Fertigung stark an Bedeutung gewonnen hat. Die Auslegung von Düsensystemen mit CFD-Methoden auf der Skala vom Nahfeld bis hin zum gesamten Sprühturm erlaubt eine systemische Sichtweise des Prozesses. Durch eine neuartige konvergent-divergente Düse für die Close-Coupled-Zerstäubung konnte in der Vergangenheit die Stabilität und gleichzeitig die Effizienz der Zerstäubung erhöht werden. Entwickelte Düsensysteme finden in unseren Sprühtürmen Anwendung um so neben nur wenig reaktiven Schmelzen z.B. auf Fe- oder Cu-Basis auch Aluminium oder metallische Gläser zerstäuben zu können.

Neben konventionellen metallischen Werkstoffen haben sich in den letzten Jahrzehnten einige neue Werkstoffklassen etabliert, wie beispielsweise metallische Gläser, High-Entropy-Werkstoffe und Quasikristalle. Diesen Werkstoffen ist gemein, dass sie neben sehr spezifischen Zusammensetzungen und in der Regel geringen Kontaminationen sehr spezifische thermische Historien erfordern, die durch angepasste Prozessführungen der gesamten Prozesskette einzustellen sind. Bei metallischen Gläsern ist beispielsweise über die Prozesskette vom Aufschmelzen über die Pulvererzeugung bis hin zur additiven Fertigung eine Sauerstoffkontamination gering zu halten. Gleichzeitig dürfen in der additiven Fertigung spezifische kritische Abkühlraten nicht unterschritten werden.