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U01 - Zertropfen

Erzeugung sphärischer Mikroproben durch Zertropfen

Im Teilprojekt U01 wird eine Methode zur flexiblen und reproduzierbaren Erzeugung sphärischer Mikroproben für die Methode „Farbige Zustände“ erarbeitet. Der hierfür im Projekt etablierte Hochtemperatur-Einzeltropfengenerator erweitert das bisher erreichte Temperaturspektrum von 1200 °C auf 1600 °C und erlaubt damit erstmalig die Anwendung von Einzeltropfenprozesse für Stähle und weitere Legierungen in diesem Temperaturbereich [Link]. Für die Hochdurchsatzmethode „Farbige Zustände“ können damit verschiedenste Legierungen auf Aluminium-Basis (600 – 800 °C), Kupfer-Basis (1000- 1200 °C) und Stähle (1300 – 1600 °C) sphärische Mikroproben verschiedener Durchmesser erzeugt werden.

Bild 1: Auswahl erzeugter Legierungen erarbeiteten im Drop-on-Demand Prozess

Die Synthese solcher Proben mit einer hohen Reproduzierbarkeit setzt zunächst eine hohe Reproduzierbarkeit der Tropfenbildung und -separation voraus.  Die experimentelle Ermittlung von Modellierung verschiedener Tropfenbildungsmodi ist daher ein wesentlicher Bestandteil des Teilprojektes.

Video 1: links:Tropfenbildung im Drop-on-Demand-Modus (Stahl 100Cr6)
Video 2:Tropfenbildungsmodi, Modellvorhersage und Experiment (Kupfer)

Nach der Tropfenseparation erstarrt der Tropfen rasch im freien Fall in Inertgasatmosphäre (Sticktstoff, Argon, Helium) auf einer Strecke von bis zu 6.5m, bevor er in einem flüssigen Abschreckmedium (üblicherweise Wasser oder Öl) aufgefangen und weiter abgekühlt wird. Zur Einstellung geeigneter Abkühlbedingungen wurde ein Abkühlmodell entwickelt, dass die Bewegung des Tropfens in der Gasatmosphäre mit dessen Abkühlung durch Konvektion und Wärmestrahlung koppelt. Hierbei ist festzustellen, dass die bisher verfügbaren Korrelationen für den Widerstandsbeiwert einer Kugel ihre Gültigkeit bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen Kugeloberfläche und Gasatmosphäre verlieren. Durch eine CFD-Parameterstudie konnte eine temperaturabhängige Korrektur der bekannten Schiller-Naumann-Korrelation für den Widerstandsbeiwertes erarbeitet werden [Link]. Es zeigte sich, dass bei hohen Temperaturdifferenzen die Umströmung einer Kugel stark durch die Gasexpansion des umgebenden Gases beeinflusst wird, die nicht durch eine Wahl der Referenztemperatur für die Stoffwerte zwischen Kugeloberflächen- und Umgebungstemperatur allein darstellbar ist. Für den Wärmeübergang hingegen konnte die bekannte Korrelation nach Ranz & Marshall auch für hohe Temperaturdifferenzen bestätigt werden.

Abbildung 2: Modellierung der Tropfenabkühlung, links: Umströmung einer Kugel bei verschiedenen Kugeloberflächentemperaturen, rechts: Tropfenabkühlung und -bewegung (oben) und Validierung des Tropfenabkühlmodells (unten)

Aus diesen Erkenntnissen wurde ein Abkühlmodell für metallische Einzeltropfen formuliert und validiert [Link]. Zur Validierung wurden Einzeltropfen unter verschiedenen Prozessbedingungen aus den Modelllegierungen AlCu4.5 und CuSn6 erzeugt. Bei diesen Legierungen lässt sich durch Auswertung des sekundären Dendritenarmabstandes (SDAS) anhand der Mikrostruktur die Abkühlrate während der Erstarrung ermitteln. Die Auswertung ergab einerseits eine sehr gute Übereinstimmung mit der Vorhersage der Abkühlrate, zeigte andererseits aber auch eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Mikrostruktur.

 

Um auch eine hohe Reproduzierbarkeit der erzeugten Proben hinsichtlich ihrer Eigenschaften im urgeformten Zustand zu bestätigen, wird jeweils eine Teilmenge sie vor dem Einsatz in der Methode „Farbige Zustände“ durch die Mikrodruckprüfung (TP D01) und durch DSC (TP U03)hinsichtlich ihrer mechanischen und  thermischen Eigenschaften überprüft. Anschließend werden die Proben im Teilprojekt U03 definiert wärmebehandelt und dann durch Deskriptoren charakterisiert.

 

Publikationen

S. I. Imani Moqadam, M. Baune, I. Bösing, C. Heinzel, D. Meyer, A. Thomann, N. Wielki, N. Ellendt: Reproducibility of High-Throughput Sample Properties Produced by a High-Temperature Molten Metal Droplet Generator, Metals 2020, 10,  https://www.doi.org/10.3390/met10030297 .

H. Springer, C. Baron, F. Mostaghimi, J. Poveleit, L. Mädler, V. Uhlenwinkel: Additive manufacturing of high modulus steels: new possibilities for lightweight design, Additive Manufacturing 2020,  https://www.oi.org/10.1016/j.addma.2019.101033 .

M. Steinbacher, G. Alexe, M. Baune, I. Bobrov, I. Bosing, B. Clausen, T. Czotscher, J. Epp, A. Fischer, L. Langstadtler, D. Meyer, S. Raj Menon, O. Riemer, H. Sonnenberg, A. Thomann, A. Toenjes, F. Vollertsen, N. Wielki, N. Ellendt: Descriptors for High Throughput in Structural Materials Development, High Throughput 2019, 8,  https://www.doi.org/10.3390/ht8040022

S. Hussain, C. Cui, N. Temple, V. Uhlenwinkel, L. Mädler: Porosity and microstructure of steel tubes spray-formed by close-coupled atomizer, Journal of Materials Processing Technology 2020, 276,  https://www.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116407 .

S. I. Moqadam, L. Madler, N. Ellendt: Microstructure Adjustment of Spherical Micro-samples for High-Throughput Analysis Using a Drop-on-Demand Droplet Generator, Materials (Basel) 2019, 12,  https://www.doi.org/10.3390/ma12223769 .

D. Beckers, N. Ellendt, U. Fritsching, V. Uhlenwinkel: Impact of process flow conditions on particle morphology in metal powder production via gas atomization, Advanced Powder Technology 2019, in print, https://www.doi.org/10.1016/j.apt.2019.10.022 .

S. Imani Moqadam, L. Mädler, N. Ellendt: A High Temperature Drop-On-Demand Droplet Generator for Metallic Melts, Micromachines 2019, 10, 477. https://doi.org/10.3390/mi10070477

R. Goodwins, S. Huhn, N. Ellendt: Creating the material world through data, one million inventions at a time, MongoDB Inc. Customer Success Story, https://www.mongodb.com/blog/post/creating-the-material-world-through-data-one-million-inventions-at-a-time , (2019)

N. Ciftci, N. Ellendt, G. Coulthard, E. Soares Barreto, L. Mädler, V. Uhlenwinkel: Novel Cooling Rate Correlations in Molten Metal Gas Atomization, Metallurgical and Materials Transactions B, 2019,  https://www.doi.org/10.1007/s11663-019-01508-0

J. Kämmler, N. Wielki, N. Guba, N. Ellendt, D. Meyer: Shot peening using spherical micro specimens generated in high-throughput processes, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 50 (2019), 5-13 https://www.doi.org/10.1002/mawe.201800068

N. Ellendt, A.M. Lumanglas, S.I. Moqadam, L. Mädler, A model for the drag and heat transfer of spheres in the laminar regime at high temperature differences, International Journal of Thermal Sciences 133 (2018) 98-105 https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.07.009

N. Ellendt, L. Mädler, High-Throughput Exploration of Evolutionary Structural Materials, HTM Journal of Heat Treatment and Materials 73(1) (2018) 3-12 https://www.doi.org/10.3139/105.110345

R. Drechsler, S. Eggersglüß, N. Ellendt, S. Huhn, L. Mädler, Exploring superior structural materials using multi-objective optimization and formal techniques, 2016 Sixth International Symposium on Embedded Computing and System Design (ISED), 2016, pp. 13-17  https://www.doi.org/10.1109/ISED.2016.7977046

L. Mädler, Is high-throughput screening for structural materials/metals possible?, International Conference on Nanomanufacturing, Bremen, 2014

Aktualisiert von: Claudia Sobich