Verbundprojekt IKARUS; Teilprojekt Access: Skalenübergreifende virtuelle Abbildung einer innovativen Prozesskette zur Herstellung von Eintrittskanten-Abdeckungen für Fanschaufeln aus Titanwerkstoffen

Abstract

In IKARUS entwickelten die Verbundpartner einen neuen Ansatz zur Herstellung der Eintrittskante von Leitschaufeln (Metal Leading Edge) mittels eines innovativen Auftragsprozesses. Mit der Simulation dieses Prozesses auf der Makro-, Meso- und Gefügeskala lieferte das Teilprojekt von ACCESS e.V. einen wesentlichen Beitrag zum Gesamtvorhaben. Mit der bei Access entwickelten Software MICRESS® ist es möglich, durch online-Kopplung an thermodynamische Datenbanken die Gefügebildung in komplexen vielphasigen Legierungen zu untersuchen. Zu Ti-Werkstoffen gab es zuvor aber noch keinerlei Erfahrungen und Modelle, auch nicht zu Festphasen-Reaktionen (Widmanstätten-Umwandlung, Martensit-Bildung). Durch die Entwicklung und Anwendung ortsaufgelösten Modelle wurde für das Gesamtprojekt ein tieferes Prozessverständnis erzeugt und die Erfolgsaussichten zukünftiger Vorhaben deutlich verbessert. Für das Gefüge-Tool gelang eine Schlüssel-Entwicklung für die zukünftige Anwendung auf vielfältige Festkörperumwandlungen. Für die Prozesssimulation bestanden die zentralen Herausforderungen in der komplexen Bauteilgeometrie sowie in der prozessbedingten Geometrieentwicklung während des additiven Auftrags. Die Abbildung dieser Geometrieänderungen und die schrittweise Aktivierung neu entstehender Volumenbereiche stießen dabei an die Grenzen kommerzieller Simulationswerkzeuge. Daher wurden spezifische Vernetzungs- und Aktivierungsstrategien erarbeitet und iterativ an die sich verändernden Bauteilgeometrien angepasst. Abschließend erfolgte die Integration der Softwaretools und Schnittstellen in die offene Plattform AIXVIPMAP® als automatisierte Simulationspipeline. Durch die Integration von Datenübertragung, Parameterstudien und Ergebnisanalyse in einem reproduzierbaren Workflow wurde eine robuste Grundlage für die automatisierte Durchführung gekoppelter Prozess- und Gefügesimulationen geschaffen und ihr Potenzial für zukünftige Studien und Optimierungen im Fertigungsprozess demonstriert. Within the IKARUS project, the partners developed a novel approach for the production of metal leading edges for vanes using an innovative additive process. With the simulation of this manufacturing process on the macro, meso and microstructure scale, the Access subproject made a significant contribution to the overall joint project. With the software MICRESS® developed by Access it is possible to investigate microstructure formation in complex alloys with multiple alloying elements and phases by online coupling to thermodynamic databases. However, there was no previous experience or model for Ti materials with their solid-phase reactions (Widmanstätten transformation, martensite formation). The development of such spatially resolved models and their application to the DED process provided a deeper understanding of the process for the overall program and significantly improved the prospects for future projects. For the MICRESS tool this is a key development for future application to solid-state transformations. For the process simulation, the challenges were the complex geometry of the component as well as its change during the additive processing. The mapping of these changes and the gradual activation of newly emerging volume elements exceeded the limits of standard commercial simulation tools. Project-specific meshing and activation strategies were developed and iteratively adapted to the changing component geometries of the project partners. Finally, the software tools and interfaces were integrated into the open platform AIXVIPMAP® as an automated simulation pipeline. By integrating data transmission, parameter studies and result analysis in a reproducible workflow, a robust basis for the automated execution of coupled process and microstructure simulations was created and their potential for future studies and optimizations in the manufacturing process was demonstrated.