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Multiphysikalische Problemstellungen

Entwicklung einer effizienten Methodik zur Auflösungsvorhersage bei der elektrochemischen Metallbearbeitung

Gepulste elektrochemische Bearbeitung

Bei der elektrochemischen Bearbeitung (ECM) werden chemische Reaktionen genutzt, um Material von der Oberflächenschicht eines Bauteils abzulösen. Bei dieser besonderen Art der nicht-konventionellen Bearbeitung werden unerwünschte mikrostrukturelle Veränderungen an der Oberfläche, wie etwa die Bildung von Versetzungen, vermieden. Dies macht die ECM zu einer vielversprechenden Bearbeitungstechnik für hochfeste Werkstoffe. Um die komplexen chemischen Reaktionen numerisch effizient zu modellieren, wird eine innere Variable eingeführt, die den Grad der Auflösung des Materials beschreibt. Die Entwicklung der inneren Variable wird auf der Grundlage des Faradayschen Gesetzes der Elektrolyse formuliert. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung einer effektiven Formulierung der erforderlichen Materialparameter die homogenisierte Beschreibung des Auflösungsprozesses im Rahmen eines elektrischen Finite-Elemente-Modells zu berücksichtigen. Jeder effektive Materialparameter ist das Ergebnis klassischer Mischungsregeln.

Kooperation mit:

  • Stefanie Reese (RWTH Aachen University / University of Siegen)
  • Andreas Klink (RWTH Aachen University)
  • Daniela Zander (RWTH Aachen University)
  • Christian F. Niordson (Technical University of Denmark)

Referenzen:

  • van der Velden, T., Ritzert, S., Reese, S., & Waimann, J. (2023). A novel numerical strategy for modeling the moving boundary value problem of electrochemical machining. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 124(8), 1856-1882.
  • van der Velden, T., Rommes, B., Klink, A., Reese, S., & Waimann, J. (2021). A novel approach for the efficient modeling of material dissolution in electrochemical machining. International Journal of Solids and Structures, 229, 111106.

Mechanische und thermo-mechanisch gekoppelte Prozesssimulation


Um eine mechanismenorientierte Analyse der Zusammenhänge zwischen Fertigungsprozessen und den durch sie hervorgerufenen Werkstoffveränderungen in der Werkstückrandzone bei klassischen Prozessen der Metallverarbeitung wie dem Festwalzen zu ermöglichen, haben wir uns im Rahmen des SFB/TRR 136 mit der hochaufgelösten Simulation mechanischer und thermomechanisch gekoppelter Prozesse beschäftigt. Grundannahme ist dabei, dass die während des Prozesses im Werkstoff herrschenden Beanspruchungen für dessen Reaktion in Form einer Modifikation verantwortlich sind. Diese mechanismenorientierte Betrachtung der Wechselwirkung von Fertigungsprozessen mit dem Werkstoff ist wissenschaftlich neu und soll es zukünftig in der Praxis ermöglichen, Fertigungsverfahren und Prozessketten im Hinblick auf die gewünschten Randzoneneigenschaften des Werkstücks gezielt und wissensbasiert auszuwählen und einzustellen, um so eine nachhaltige und ressourcenschonende Produktion zu ermöglichen.

Kooperation mit:

  • Bob Svendsen (RWTH Aachen University / Max-Planck Institut für Eisenforschung, Düsseldorf)
  • Stefanie Reese (RWTH Aachen University / University of Siegen)
  • Jens Sölter (University of Bremen)
  • Rainer Fechte-Heinen (University of Bremen)

Referenzen:

  • Schmidt, A., Gierden, C., Fechte-Heinen, R., Reese, S. & Waimann, J., (2025). Efficient thermo-mechanically coupled and geometrically nonlinear two-scale FE-FFT-based modeling of elasto-viscoplastic polycrystalline materials. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 435, 117648.
  • Gierden, C., Kochmann, J., Waimann, J., Svendsen, B., & Reese, S. (2022). A review of FE-FFT-based two-scale methods for computational modeling of microstructure evolution and macroscopic material behavior. Archives of Computational Methods in Engineering, 29(6), 4115-4135.
  • Gierden, C., Kochmann, J., Waimann, J., Kinner-Becker, T., Sölter, J., Svendsen, B., & Reese, S. (2021). Efficient two-scale FE-FFT-based mechanical process simulation of elasto-viscoplastic polycrystals at finite strains. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 374, 113566.

Ein gekoppeltes Modell für die Entwicklung der Größe und chemischen Zusammensetzung von vulkanischen Kristallen

Vulkan

In den unteren Magmakammern von Vulkanen werden Olivinkristalle gebildet. Diese Kristalle wachsen, während sie in die höheren Magmakammern aufsteigen, bis der Vulkan ausbricht. Diffusionschronometrie wird verwendet, um die Diffusionsgeschichte des ausgestoßenen Materials nachzuvollziehen. Jedoch wird der nachvollziehbare Zeitraum von Rekristallisation begrenzt. Obwohl es sowohl in Experimenten als auch in Beobachtungen gezeigt wurde, wurde die Kopplung von mechanischen und chemischen Prozessen noch nicht quantitativ untersucht. Ein neues Materialmodell wird entwickelt, welches diese Kopplung von mechanischen und chemischen Prozessen in Betracht zieht, um die Entwicklung von magnesiumbasierten Forsterit, unter Einfluss von Eisen als Fayalitkomponente, von der ursprünglichen Wachstumsphase bis zur Rekristallisation zu beschreiben.

Kooperation mit:

  • Sumit Chakraborty (Ruhr-Universität Bochum)

Referenzen:

  • Haddenhorst, H. H., Chakraborty, S., & Hackl, K. (2023), A model for the evolution size and composition of olivine crystals. PAMM, 23(4), e202300081.