Experimentelle und numerische Untersuchungen von eingeschlossenem Pulvermaterial zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens innerhalb von Partikeldämpfern
Experimentelle und numerische Untersuchungen von eingeschlossenem Pulvermaterial zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens innerhalb von Partikeldämpfern
Partikeldämpfer sind ein wirtschaftliches und effektives Konzept für die passive Reduzierung von
mechanischen Schwingungen über einen grossen Frequenzbereich. Mit dem additiven Fertigungsverfahren
können Bauteile mit innen liegenden Pulverkammern hergestellt werden, welche als additiv gefertigte
Partikeldämpfer bezeichnet werden. In bisherigen Untersuchungen von additiv gefertigten Partikeldämpfern
wurde das nicht lineare Dämpfungsverhalten experimentell bestimmt. Das detaillierte dynamische Verhalten
des metallischen Pulvermaterials in der Kavität ist soweit unbekannt.
Das Ziel dieser Masterthesis ist es, zu bestimmen, wie sich eingeschlossenes Pulvermaterial in einem additiv
gefertigten Partikeldämpfer unter dynamischer Belastung verhält. Dazu werden die folgenden
Forschungsfragen gestellt: (i) Wie kann die Energiedissipation von eingeschlossenem Pulvermaterial
charakterisiert werden? (ii) Und wie können davon die wichtigsten Abhängigkeiten für die
Produktentwicklung von additiv gefertigten Partikeldämpfern abgeleitet werden?
Um die Forschungsfragen zu beantworten, wird das dynamische Verhalten des Pulvermaterials Edelstahl CL
20ES in der Kavität mit der Diskrete Elemente Methode modelliert. Die Diskrete Elemente Methode ist ein
numerisches Berechnungsverfahren für die Simulation von Partikelbewegungen und -interaktionen. Durch
das verwendete Pulvermaterial, welches Partikelgrössen im zweistelligen Mikrometerbereich und eine hohe
Partikelanzahl pro Volumeneinheit hat, ist die Untersuchung nur an skalierten Kavitäten im
Millimeterbereich durchzuführen. Die mit Pulvermaterial befüllten Kavitäten werden unter harmonischer
Weganregung belastet. Aus den Reaktionskräften des Pulvermaterials auf die Kavität wird die
Energiedissipation berechnet. Um die wichtigsten Abhängigkeiten zu untersuchen, werden verschiedene
Kavitätsgrössen, Kavitätsformen, Anregungsamplituden und Anregungsfrequenzen untersucht.
Die Untersuchung zeigt, dass eingeschlossenes Pulvermaterial in Kavitäten unter dynamischer Belastung zu
hoher Energiedissipation führt und dadurch ein effektives Konzept für die passive Schwingungsreduktion ist.
Additiv gefertigte Partikeldämpfer haben einen ähnlichen Mechanismus der Energiedissipation wie der Ein-
Partikeldämpfer oder Aufpralldämpfer. Die Energiedissipation entsteht vor allem durch die unelastischen
Stossvorgänge zwischen Partikeln und Kavität. Die Effizienz des Partikeldämpfers wird aber nur erreicht, wenn die Amplitude genügend gross ist. Diese minimal nötige Amplitude ist abhängig vom Partikelfüllstand
in der Kavität und der Grösse der Kavität. Für die Produktentwicklung von additiv gefertigten
Partikeldämpfern kann gesagt werden, (i) dass mehr Pulvermaterial zu mehr Energiedissipation führt, (ii)
dass das Pulvermaterial im Bauteil an der Stelle mit der grössten Auslenkungsamplitude platziert werden soll,
um eine grössere Energiedissipation zu erreichen und (iii) dass die Kavitätslänge in Bewegungsrichtung
einen positiveren Einfluss auf die Energiedissipation als der Kavitätsquerschnitt in Bewegungsrichtung hat.
Particle dampers are a promising approach for passive reduction of vibrations over a wide frequency range.
With additive manufacturing, it is possible to manufacture parts with embedded powder cavities. In previous
investigations of additive manufactured particle dampers, the non-linear damping behavior was determined
experimentally. The dynamic behavior of the metallic powder in the cavity is unknown.
The goal of this thesis is to determine the dynamic behavior of the internal powder in an additive
manufactured particle damper. The research questions are: (i) How can the energy dissipation of powder be
characterized? (ii) And in addition, what are the main dependencies for the product development of additive
manufactured particle dampers?
In this thesis, the dynamic behavior of the stainless steel CL 20ES powder is modeled with the Discrete
Element Method. The Discrete Element Method is a numerical method for simulation of particle motions and
particle interactions. Due to the powder material used, which has particle sizes in the micrometer range and a
high number of particles per volume, it is only possible to perform this investigation on scaled cavities in the
millimeter range. The dynamic behavior of the powder is determined under harmonic base excitation of the
cavity. The calculation of the energy dissipation is based on the reaction forces of the powder on the cavity.
This work examines the influence of different cavity sizes, cavity shapes, excitation amplitudes and
frequencies on the energy dissipation.
The investigation shows that powder in cavities leads to high-energy dissipation under dynamic vibration.
Due to this, it is an effective concept for passive reduction of vibrations. Additive manufactured particle
dampers have a similar mechanism of energy dissipation as single particle impact dampers or vibration
absorbers. The energy dissipation is caused by the inelastic collision between particles and cavity. The
efficiency of the particle damper is only achieved when the excitation amplitude is large enough. The
minimal required amplitude depends on the amount of particles in the cavity and on the cavity size. The
simulation results provide better understanding of the particle damping mechanisms, which may help in the
design of the next generation of additive manufactured particle dampers. It can be said that (i) more powder
leads to more energy dissipation, (ii) the powder should be positioned in the place with maximum amplitude
to achieve greater energy dissipation and (iii) that the cavity length in the direction of movement has a more
positive influence on the energy dissipation than the cross section in the direction of movement.