Disperse Phasenumwandlungsprozesse

In einer Vielzahl technischer Prozesse mit Tropfen und Partikeln finden Umwandlungsvorgänge zwischen fest, flüssig und gasförmig statt. Typische Beispiele solcher disperser Phasenumwandlungsprozesse sind Zerstäubungsvorgänge mit dem Ziel der Partikelerzeugung durch Erstarrung der Tropfen oder das lokale Verschweißen von Partikeln in der additiven Fertigung zu Bauteilen. Das Erlangen eines grundlegenden Verständnisses dieser Prozesse und der Transfer dieser Erkenntnisse in die Anwendung erfolgt auf der Basis isolierter Teilprozesse – sogenannter generischer Modellexperimente – und auf der Basis der Prozessmodellierung.

Forschungsschwerpunkte

Erzeugung von Schmelzetropfen mit einem Hochtemperatur-Tropfengenerator

Experimente mit metallischen Einzeltropfen erlauben die reproduzierbare Einstellung von Tropfengrößen ab ca. 200 µm in variablen Gasatmosphären mit metallischen Legierungen bei Temperaturen von bis zu 1650 °C. Auf einer inerten Fallstrecke von 6.5 m fallen die Tropfen entweder frei oder können nach verschiedenen Abständen in einem Fluid abgeschreckt oder auf einem Substrat deponiert werden. Es ergeben sich hier vielfältige Möglichkeiten zur Probenerzeugung aus vielfältigen Materialien, um z.B. die Mikrostrukturen oder physikalische Eigenschaften von Materialien bei spezifischen Abkühlraten zu ermitteln.

Messung von Oberflächenspannung und Viskosität von Metallschmelzen anhand ihrer Tropfenoszillation

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.

Modellierung des Multimaterial-PBF-LB/M-Prozesses

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.

Erzeugung sphärischer Mikroproben für die Materialentwicklung mit einem Tropfengenerator

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.

Experimentelle und numerische Untersuchung von Zerstäubungsvorgängen

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.

Prozessroute für die additive Fertigung metallischer Gläser

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.

Publizierte Modelle

Modellierung des Multimaterial-PBF-LB/M-Prozesses

Mit diesem Modell kann der PBF-LB/M-Prozess modelliert werden. Neben dem Strömungs- und Temperaturfeld wird auch das Konzentrationsfeld gelöst, so dass auch verschiedene Partikelmischungen und verschiedene Kombinationen aus Pulver- und Substratmaterial modelliert werden können. Die Partikelschichten werden über eine DEM-Simulation aufgetragen und in das Modell übertragen. Der Wärmeeintrag wird über einen Ray-Tracing-Ansatz abgebildet.

Das Modell ist in OpenFoam implementiert und kann frei verwendet werden.

 

Download im GitHub des Leibniz-IWT:

github.com/Leibniz-IWT/Metal-Mixing-in-LPBF

Modellierung der dendritischen Erstarrung reiner Metalle

Dieses Modell ist eine Implementierung des Modells von Ferreira et al. für die dendritische Erstarrung reiner Elemente. Das Modell ist in Comsol Multiphysics implementiert und kann sehr einfach an verschiedene Geometrien und Randbedingungen angepasst werden.

 

Download im GitHub des Leibniz-IWT:

github.com/Leibniz-IWT/comsol-dendrite

Ausgewählte Publikationen

[1]        E. Gärtner, A. Witte, N. J. Peter, V. Devulapalli, N. Ellendt, G. Dehm, E. A. Jägle, V. Uhlenwinkel, L. Mädler: Melt pool signatures of TiN nanoparticle dry-coated Co25Cr25Fe25Ni25 metal powder in laser-powder-bed-fusion, Materials & Design 2023, 226,  10.1016/j.matdes.2023.111626.

[2]        M. Frey, J. Wegner, E. S. Barreto, L. Ruschel, N. Neuber, B. Adam, S. S. Riegler, H.-R. Jiang, G. Witt, N. Ellendt, V. Uhlenwinkel, S. Kleszczynski, R. Busch: Laser Powder Bed Fusion of Cu-Ti-Zr-Ni Bulk Metallic Glasses in the Vit101 Alloy System, Additive Manufacturing 2023,  10.1016/j.addma.2023.103467.

[3]        A. Chouhan, M. Hesselmann, A. Toenjes, L. Mädler, N. Ellendt: Numerical modelling of in-situ alloying of Al and Cu using the laser powder bed fusion process: A study on the effect of energy density and remelting on deposited track homogeneity, Additive Manufacturing 2022, 59,  10.1016/j.addma.2022.103179.

[4]        N. Ellendt, B. Clausen, N. Mensching, D. Meyer, C. Plump, H. Sonnenberg, M. Steinbacher, A. Toenjes: Experimental Methods to Enable High-Throughput Characterization of New Structural Materials, Jom 2021, 73, 3347-3355 10.1007/s11837-021-04901-w.

[5]        D. Beckers, N. Ellendt, U. Fritsching, V. Uhlenwinkel: Impact of process flow conditions on particle morphology in metal powder production via gas atomization, Advanced Powder Technology 2020, 31, 300-311 10.1016/j.apt.2019.10.022.

[6]        S. I. Moqadam, L. Madler, N. Ellendt: Microstructure Adjustment of Spherical Micro-samples for High-Throughput Analysis Using a Drop-on-Demand Droplet Generator, Materials (Basel) 2019, 12,  10.3390/ma12223769.

[7]        S. Imani Moqadam, L. Madler, N. Ellendt: A High Temperature Drop-On-Demand Droplet Generator for Metallic Melts, Micromachines (Basel) 2019, 10,  10.3390/mi10070477.

[8]        N. Ellendt, A. M. Lumanglas, S. I. Moqadam, L. Mädler: A model for the drag and heat transfer of spheres in the laminar regime at high temperature differences, International Journal of Thermal Sciences 2018, 133, 98-105 10.1016/j.ijthermalsci.2018.07.009.

[9]        D. Schwenck, N. Ellendt, J. Fischer-Bühner, P. Hofmann, V. Uhlenwinkel: A novel convergent–divergent annular nozzle design for close-coupled atomisation, Powder Metallurgy 2017, 60, 198-207 10.1080/00325899.2017.1291098.

[10]     K. G. Prashanth, H. Shakur Shahabi, H. Attar, V. C. Srivastava, N. Ellendt, V. Uhlenwinkel, J. Eckert, S. Scudino: Production of high strength Al85Nd8Ni5Co2 alloy by selective laser melting, Additive Manufacturing 2015, 6, 1-5 10.1016/j.addma.2015.01.001.

 

Weitere Publikationen:

Google Scholar (Link: https://scholar.google.de/citations?user=6MPB5br_W0QC&hl=en&oi=ao)

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Scopus

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Arbeitsgruppe

Nils Ellendt

Dr.-Ing. Nils Ellendt
Leitung

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Fachbereich 4 Produktionstechnik
Fachgebiet 01 Mechanische Verfahrenstechnik
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Arvind Chouhan

M. Tech. Arvind Chouhan
Modellierung additiver Fertigungsprozesse

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Fachbereich 4 Produktionstechnik
Fachgebiet 01 Mechanische Verfahrenstechnik
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+49 421 64507
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Kiana Fahimi

M. Sc. Kiana Fahimi
Ermittlung thermophysikalischer Stoffwerte

Universität Bremen
Fachbereich 4 Produktionstechnik
Fachgebiet 01 Mechanische Verfahrenstechnik
IW1+2 1010

+49 421 64503
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Erika Soares Barreto

M. Sc. Erika Soares Barreto
Metallische Gläser und High-Entropy-Legierungen

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Fachbereich 4 Produktionstechnik
Fachgebiet 01 Mechanische Verfahrenstechnik
IW1+2 1010

+49 421 64514
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Layla Shams Tisha

M. Sc. Layla Shams Tisha
Recycling von Al-Si-Legierungen durch additive Fertigung

Universität Bremen
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Fachgebiet 01 Mechanische Verfahrenstechnik
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M. Sc. Carolina Souza Santiago
Werkstoffe für den H2-Transport

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