Lagrangian Advanced MAnufacturer Simulator

Die Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode ist ein gitterfreies, lagrangesches Verfahren zur Simulation physikalischer Strömungsphänomene. Zu den zentralen Ideen und Konzepten gehört die Darstellung des Fluids als Menge von Partikeln, die Verwendung einer Kernfunktion (Kernel) zur räumlichen Interpolation sowie die Einführung einer Glättungslänge, die den Wechselwirkungsbereich jedes Partikels definiert. Im Vergleich zu klassischen CFD-Verfahren bietet SPH Vorteile wie den natürlichen Umgang mit großen Verformungen, den Verzicht auf ein Gitter sowie die Eignung für Probleme mit komplexen Fluidgrenzflächen und dynamischen Randbedingungen. Diese Eigenschaften machen SPH besonders geeignet für Fragestellungen mit freien Oberflächen und Fluid-Struktur-Wechselwirkungen. Die Methode wurde weiterentwickelt zu SPH-Arbitrary Lagrangian-Eulerian (SPH-ALE)-Ansätzen, die unter anderem für Anwendungen in der Flachwassersimulation und transienten viskoelastischen Strömungen eingesetzt werden und die Leistungsfähigkeit des Verfahrens zusätzlich erweitern. LAMAS ist vollständig in C++ implementiert und basiert auf der Open-Source-Bibliothek OpenFPM für das Speichermanagement. Der Strömungslöer ist für die Nutzung auf modernen Architekturen wie GPUs optimiert, funktioniert jedoch auch auf klassischen CPUs und bietet damit eine flexible Einsatzmöglichkeit je nach Anwendungsanforderung.

LPBF Schmelzbadsimuation

LAMAS, der Lagrangian Additive Manufacturing Simulator, ist ein Simulationsframework zur Simulation laserbasierter additiver Fertigungsprozesse (AM), insbesondere der Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M). Wir verwenden die SPH-Methode, um die komplexen physikalischen Aspekte des mesoskopischen Pulverkontinuums in der additiven Fertigung zu modellieren. Dabei werden die Eigenschaften des Schmelzbads unter Berücksichtigung dynamischer Strömungen, Marangoni-Konvektion, Oberflächenspannungseffekte sowie Phasenwechselprozesse präzise vorhergesagt. Ziel von LAMAS ist es, das physikalische Verständnis laserbasierter Additive Manufacturing Prozesse durch numerische Simulationen weiter zu vertiefen.  Zu diesem Zweck wurden bereits verschiedene Studien durchgeführt. So wurde unter anderem der Einfluss unterschiedlicher Gasatmosphären auf die Schmelzbadmorphologie und die Wärmebilanz einer Aluminiumlegierung untersucht, der stationäre sowie transiente Übergang vom Wärmeleit- zum Keyhole-Modi bei einer Titanlegierung analysiert, virtuelle Prozesskarten erzeugt und verschiedene Strategien der Laserstrahl-Verformung zur Unterdrückung von Balling-Defekten bei Edelstahl erforscht.

Simulation von Flüssigchromatographie

Der Einsatz der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)-Methode zur Untersuchung der Flüssigchromatographie bietet insbesondere im Bereich der Strömungsmechanik und des Stofftransports ein großes Potenzial. Die numerische Untersuchung der Strömungsphänomene in chromatographischen Säulen ermöglicht eine gezielte Optimierung des Säulendesigns sowie eine verbesserte Trennleistung. Die Untersuchung des Stofftransports erlaubt zudem ein detailliertes Verständnis von Massenübertragung, Diffusion und Konvektion und unterstützt die Entwicklung präziserer Vorhersagemodelle. Diese Forschungsarbeiten tragen nicht nur zur Optimierung bestehender chromatographischer Verfahren bei, sondern eröffnen auch neue Ansätze, die langfristig innovative Technologien in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen ermöglichen können.

Veröffentlichungen

• Wimmer, A., Yalvac, B., Zöller, C., Hofstaetter, F., Adami, S., Adams, N. A., & Zaeh, M. F. (2021): Experimental and Numerical Investigations of In Situ Alloying during Powder Bed Fusion of Metals Using a Laser Beam, Metals, 11, 1842.

• Zöller, C., Adams, N. A., & Adami, S. (2023): A partitioned continuous surface stress model for multiphase smoothed particle hydrodynamics. Journal of Computational Physics, 472, 11716.

• Zöller, C., Adams, N. A., & Adami, S. (2023): Numerical investigation of balling defects in laser-based powder bed fusion of metals with Inconel 718. Additive Manufacturing, 73, 103658.

• Wimmer, A., Panzer, H., Zöller, C., Adami, S., Adams, N. A., & Zaeh, M. F. (2023): Experimental and numerical investigations of the hot cracking susceptibility during the powder bed fusion of AA 7075 using a laser beam, Progress in Additive Manufacturing.