Massiv parallele Simulation des Schmelzbadbereichs beim Laserstrahlschweißen mit der Lattice- Boltzmann-Methode

• Antragsteller: Dr.-Ing. Matthias Markl, seit 10/2024
• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434946896

Das Laserstrahlschweißen als flexibles und kontaktloses Fügeverfahren gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die Bearbeitung von Legierungen mit großem Schmelzintervall stellt aufgrund ihrer Neigung zu Erstarrungsrissen jedoch eine Herausforderung dar. Diese entstehen durch kritische Spannungs- bzw. Dehnungszustände der dendritischen Mikrostruktur mit interdendritischer Schmelze. Trotz der hohen industriellen Relevanz existieren bisher lediglich Ansätze, die sich Teilaspekte dieser Problematik - metallurgisch orientiert oder strukturorientiert - widmen. Die Forschungsgruppe "Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse" setzt sich zum Ziel ein quantitatives Prozessverständnis der Mechanismen der Erstarrungsrissentstehung und des Zusammenhangs mit Prozessparametern zu entwickeln.Ziel dieses Teilprojekts ist die mesoskopische Simulation der Schmelzbaddynamik mit einer Auflösung im Bereich eines Mikrometers. Das dafür nötige Computermodell besteht aus mindestens 109 Zellen die über mehr als 105 Zeitschritte berechnet werden müssen. Dabei soll der Phasenübergang beim Schmelzen und Erstarren, der Energieeintrag des Lasers, die Ausdehnung und Schrumpfung, sowie der Wärme- und Stofftransport in der Schmelze realitätsgetreu abgebildet werden. Derartig komplexe Simulationen benötigen die Rechenleistung von parallelen Supercomputern. Sie können deshalb nur mit speziell entwickelten parallelen Algorithmen und mit Hilfe moderner Softwaretechniken realisiert werden. Im Teilprojekt soll die Lattice Boltzmann Methode (LBM) zum Einsatz kommen und so erweitert werden, dass sie die vielfältigen physikalischen Effekte der Schmelzbaddynamik korrekt wiedergeben kann. Im Vergleich zu anderen Verfahren zeichnet sich die LBM dadurch aus, dass sie gut parallelisierbar ist und moderne Computerarchitekturen mit Hardwarebeschleunigern besonders gut nutzen kann. Als Grundlage der Implementierung kommt das HPC-Framework waLBerla zum Einsatz, das als Softwarebaukasten die Programmierung komplexer Multiphysikanwendungen unterstützt und vereinfacht. waLBerla verwendet Abstraktionen und Codegenerierungsansätze zur Softwareentwicklung, mit deren Hilfe die Nachhaltigkeit der Software, d.h. die Portierbarkeit auch auf zukünftige Supercomputerarchitekturen, erreicht werden kann. Ein wichtiger Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt auf der Validierung der Modelle und der Algorithmen, sowie die Interoperabilität mit den anderen Modellen der Forschungsgruppe. Dies wird durch die enge Kooperation mit den benachbarten Teilprojekten erreicht.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5134: Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Harald Köstler
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Rüde, bis 9/2024