Mesoskalensimulation des Sinterns von Sinterstahl

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Motivation

Die klassische pulvermetallurgische Herstellungsroute ermöglicht die kostengünstige Fertigung hochpräziser Komponenten. Dabei werden spratzig geformte Pulverpartikel durch uniaxiales Pressen zu Grünlingen verdichtet. Das Sintern stellt die anschließende Wärmebehandlung dar, welche die Diffusion anregt und somit die Bildung von Kontaktbrücken zwischen den einzelnen Pulverpartikeln ermöglicht. Prozessparameter wie Haltezeit, Temperatur und Heizrate bestimmen den Diffusionsprozess und beeinflussen somit die Ausbildung des Gefüges. Mikrostrukturelle Veränderungen in Folge des Sinterprozesses spiegeln sich unmittelbar in den mechanischen Eigenschaften des Bauteils wider. Eine simulative Nachbildung des Prozesses ermöglicht daher die Prognose der Gebrauchseigenschaften auf Grundlage der jeweiligen Prozessgestaltung. Während kontinuumsmechanische Ansätze lediglich die Deformation in Folge der Wärmebehandlung nachbilden können, ermöglicht eine mesoskopische Simulation des Sinterns eine detaillierte Aufschlüsselung der diffusionsgesteuerten Vorgänge auf der Gefügeebene. Neben der mittleren Korn- und Porengröße sowie Porenform lassen sich dadurch ebenfalls Aussagen hinsichtlich deren statistischen Verteilung treffen.

Zielsetzung

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines digitalen Zwillings des Sinterprozesses, welcher Vorgänge auf Gefügeebene zugänglich macht und Informationen bereitstellt, welche sowohl im Rahmen einer Multiskalen- oder Prozesskettensimulation als auch zur Bestimmung von Bauteileigenschaften genutzt werden können.

Projektinhalte

• Werkstoffcharakterisierung: Ermittlung von Werkstoffkennwerten zur physikalischen Beschreibung des Sinterprozesses
• Methode: Entwicklung einer Methode zur numerischen Abbildung der Diffusionsvorgänge während des Sinterns auf mesoskopischer Ebene
• Datenbank: Generierung synthetischer Ausgangsgefüge auf Basis gegebener Randbedingungen sowie deren Verwendung für Simulationen
• Simulation: Numerische Berechnung der Evolution der Mikrostruktur in Abhängigkeit der Prozessparameter beim Sintern basierend auf realen sowie synthetisch erzeugten Gefügen von Grünlingen
• Validation: Abgleich der Simulationsergebnisse mit realen Mikrostrukturen

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Fördernummer: EXC-2023 Internet of Production – 39062161