Ein neuer „digitaler Zwilling“ des Lasers

Jun 14, 2023

Forscher entwickeln ein numerisches Prozessanalysesystem, das automatisch optimale Umformbedingungen ermittelt

Wissenschaftliche Universität Tokio

Bild: Das Forschungsteam zeigte, dass LDED anderen Reparaturmethoden hinsichtlich Grenzflächenfestigkeit und mechanischen Eigenschaften überlegen ist.mehr sehen

Bildnachweis: Masayuki Arai von der Tokyo University of Science

Mechanische Teile in Industriemaschinen und -konstruktionen, die dünner werden oder Risse aufweisen, müssen durch neue ersetzt werden. In den letzten Jahren wurden Versuche erwogen, sie zu reparieren, um die industrielle Nachhaltigkeit zu verbessern. Deshalb ist die Reparaturtechnik für Maschinen ein heißes Thema in Forschung und Entwicklung. Bei der herkömmlichen 3D-gedruckten Metallfertigung wird die Oberfläche eines mechanisch gelegten Pulverbetts mit einem Laser- oder Elektronenstrahl bestrahlt, um die Metallpartikel zu schmelzen und zu verschmelzen. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine sperrige Fertigungsausrüstung. Außerdem wird nach dem Herstellungsprozess eine große Menge Metallpulver entsorgt. Allerdings ist die lasergesteuerte Energiedeposition (LDED) eine vielversprechende Technologie, die die Herausforderungen meistert. Bei dieser Technik werden Metallpulver im Fokus eines Laserstrahls abgeschieden, dann geschmolzen und gestapelt.

Die Vorteile von LDED liegen nicht nur in der Kompaktheit der Anlage, sondern auch in der deutlichen Reduzierung des Metallpulverabfalls. Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie die In-situ-Herstellung von Metallpulver in 3D-Form auf der Oberfläche eines Substrats. Damit können auch Maschinen aus Metall repariert werden!

Eine Gruppe von Forschern, zu der Professor Masayuki Arai von der Fakultät für Maschinenbau der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Tokyo University of Science (TUS), Japan, Herr Toshikazu Muramatsu, ebenfalls von der TUS, und Dr. Kiyohiro Ito von der Fakultät für Maschinenbau und Maschinenbau gehören Electrical Engineering, Suwa University of Science, Japan, hat in Zusammenarbeit mit dem Thermal Spray Technology Development Laboratory von TOCALO Co. Ltd., Japan, eine Reparaturtechnik mit LDED entwickelt. „Mit unserer Technik kann die Oberflächenform einer Metallstruktur vor Ort vollständig wiederhergestellt und die Entsorgung des für die Reparatur erforderlichen Metallpulvers erheblich reduziert werden. Für den breiten Einsatz dieser Technologie sind jedoch optimale Umformbedingungen erforderlich „In der Industrie musste bislang ein Trial-and-Error-Verfahren ermittelt werden“, erklärt Prof. Arai, der sich intensiv mit der Erforschung von Schadensmechanik und Reparaturtechnik beschäftigt.

In einem aktuellen Artikel, der am 23. November 2022 im Journal of Thermal Spray Technology veröffentlicht wurde, haben die Forscher ein mathematisches Modell von LDED entwickelt, das mithilfe eines Todes-Geburt-Algorithmus automatisch einen Metallpulver-Ablagerungsbereich generiert und so das zur Optimierung der Produktion erforderliche Rätselraten überflüssig macht. „Das Wärmestrahlungs-Wärmeleitungsmodell und das viskoplastisch-thermoplastische Materialmodell werden auf die gestapelten Elemente angewendet, die den abgeschiedenen Bereich bilden, so dass ein breites Spektrum an Zustandsänderungen vom Schmelzen bis zur Verfestigung der abgeschiedenen Metallpulverschicht originalgetreu simuliert werden kann.“ „Durch die Integration dieser Modelle in ein Finite-Elemente-Analyseprogramm haben wir ein neues Bearbeitungsanalysesystem entwickelt, das noch nie zuvor verwendet wurde“, bemerkt Prof. Arai. Das Team simulierte den Wiederherstellungsprozess numerisch und konnte so die Bedingungen des Umformprozesses, die Temperaturverteilung, den Verformungszustand und die Eigenspannungsverteilung im Voraus vorhersagen und die Ergebnisse durch Experimente verifizieren. Sie fanden heraus, dass die Eigenspannungen in der abgeschiedenen Schicht viel geringer waren als bei herkömmlichen Reparaturverfahren.

Dieses neuartige numerische Analysesystem für die 3D-Bearbeitung ist ein digitaler Zwilling der bestehenden Kernbearbeitungstechnologie, die auf der Verschmelzung von Metall im zu reparierenden Bereich basiert. Die hier entwickelte numerische Analysemethode könnte in Zukunft auf verschiedene industrielle Anwendungen angewendet werden, beispielsweise auf die Planung der Reparatur einer Kavitationsverdünnung auf der Oberfläche einer Schaufel, die in der Umwälzpumpe eines Kraftwerks verwendet wird, und die Entwicklung einer Methode zur Reduzierung der Restverformung nach der Reparatur der Verdünnung die Spitze des Rotorblatts einer Gasturbine. Zusammengenommen machen die Funktionen der Automatisierung und die Voraussage der Prozessbedingungen durch das numerische Bearbeitungsanalysesystem die 3D-Metallschichtfertigung mit der LDED-Reparaturtechnologie effektiver und sorgen durch ein effizientes Ressourcenmanagement für eine verbesserte Nachhaltigkeit.

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Referenz

DOI: https://doi.org/10.1007/s11666-022-01499-6

Über die Universität der Wissenschaften Tokio

Die Tokyo University of Science (TUS) ist eine bekannte und angesehene Universität und die größte auf Wissenschaft spezialisierte private Forschungsuniversität in Japan mit vier Campussen im Zentrum von Tokio und seinen Vororten sowie in Hokkaido. Die 1881 gegründete Universität hat kontinuierlich zur wissenschaftlichen Entwicklung Japans beigetragen, indem sie Forschern, Technikern und Pädagogen die Liebe zur Wissenschaft vermittelt hat.

Mit der Mission „Schaffung von Wissenschaft und Technologie für die harmonische Entwicklung von Natur, Mensch und Gesellschaft“ hat TUS ein breites Spektrum an Forschung von der Grundlagenforschung bis zur angewandten Wissenschaft durchgeführt. TUS verfolgt einen multidisziplinären Forschungsansatz und führt intensive Studien in einigen der heute wichtigsten Bereiche durch. TUS ist eine Leistungsgesellschaft, in der die Besten der Wissenschaft anerkannt und gefördert werden. Sie ist die einzige private Universität in Japan, die einen Nobelpreisträger hervorgebracht hat, und die einzige private Universität in Asien, die Nobelpreisträger im Bereich der Naturwissenschaften hervorgebracht hat.

Website: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/

Über Professor Masayuki Arai von der Tokyo University of Science

Dr. Masayuki Arai ist Professor für Maschinenbau an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Tokyo University of Science (TUS), Japan. Seine Forschungsschwerpunkte sind Materialien/Mechanik von Werkstoffen (Festkörpermechanik, Schadensmechanik, Grenzflächenmechanik). Er erwarb seinen Ph.D. vom Tokyo Institute of Technology. Er ist Autor von über 150 referierten Artikeln, über 300 Konferenzpräsentationen und verfügt über drei Patente. Er war Gastredakteur und Mitherausgeber in den Redaktionsausschüssen mehrerer renommierter Fachzeitschriften. Er war außerdem Mitglied des wissenschaftlichen Ausschusses der Asia-Pacific Conference on Fracture and Strength (2018) und der Japan Society of Mechanical Engineers (2016–2017).

Zeitschrift für thermische Spritztechnik

10.1007/s11666-022-01499-6

Computersimulation/Modellierung

Unzutreffend

Dreidimensionale numerische Simulation des Reparaturprozesses durch Laser-Direktenergieabscheidung

23.11.2022

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