stahl + eisen 04/2020 Leseprobe

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WISSENSCHAFT TECHNIK Additive Fertigung bildet sich nah am Substrat zwischen den zwei mittleren Verstrebungen aus und setzt sich fast über die vollständige Höhe fort. Experimentell wird im Maximum 0,46 mm ± 0.01 mm gemessen und die Simulation sagt 0,43 mm voraus. Eine Einbeulung (negativer Normalverzug) wird im Bild ganz links in der Region um den Wendepunkt beobachtet. Der maximale experimentelle Verzug ist -0,40 mm ± 0,01 mm, simulativ wird -0,54 mm ermittelt. Erstens tritt erheblicher Verzug auf: Bei einer Wandstärke von ca. 1,1 mm entspricht der Verzug bis zu der halben Wandstärke. Kommt es zu einer mechanischen Nachbearbeitung, muss viel Volumen abgetragen werden, um eine glatte Oberfläche zu erzeugen. Im Falle dieser Geometrie könnte eine Nachbearbeitung auf Grund des großen Verzugs sogar unmöglich sein. Zweitens kann sicher gesagt werden, dass die Simulation den Verzug korrekt voraussagt und dass sich die Modelle dafür eignen Verzugskompensierte Geometrien abzuleiten. Verzugsfrei nur mit Geometrieänderung Zur Minimierung von Verzug im DED können mit der Simulation nun ohne teure Versuche Pausenzeiten und Prozessparameter optimiert werden. Doch selbst wenn das Potenzial der Prozessoptimierung voll ausgeschöpft ist, bildet sich Verzug noch immer in einer verringerten Größe. Die Verzugskompensation ist eine geeignete Möglichkeit, um den Verzug durch Änderung der Geometrie bei konstanten Prozessparametern weiter zu reduzieren. Die Idee besteht darin, die Prozessverzüge mit dem einer angepassten Geometrie, dem Verzugsnegativ, so zu überlagern, dass im Vergleich zum CAD ein verzugsfreier Aufbau erreicht wird. Das heißt eine veränderte Geometrie aufzubauen, die sich während des Aufbaus so verformt, dass sich die gewünschte Form ergibt. Der mit der Simulation berechnete Verzug wird invertiert, so dass alle positiven Verformungen in gleich große negative Verformungen umgewandelt werden und umgekehrt. Basierend auf der Hypothese, dass sich die Verzüge im kompensierten Teil in ähnlicher oder nahezu ähnlicher Weise wie im Originalteil bilden, führt die Verzug im Vergleich zum CAD nach der Kompensation Im Vergleich zum unkompensierten Bauteil ist der Verzug um über 60 % reduziert. Normalverzug in mm +0.5 +0.25 0 -0.25 -0.5 Abb. 3: Mit der Simulation kann die Bauteilgeometrie so verändert werden, dass sich zusammen mit dem Prozessverzug die gewünschte Maßhaltigkeit im Vergleich zum CAD einstellt. Kompensation zu einem verzugsfreien Teil im Vergleich zum CAD. Verzugskompensierte Bauteile aus der Simulation Nach dem Extrahieren des Verzugsnegativs aus der Simulation wird eine neue Bahnplanung entsprechend der geänderten Geometrie erstellt und anschließend im DED Prozess gebaut. Alle Parameter, wie Wärmequelle, Vorschub, Abkühlung und Start-/Stopp-Punkte, werden konstant gehalten, um keine Änderungen in die kompensierte Geometrie einzubringen. Durch die veränderte Kontur erhöht sich die Gesamtnahtlänge von 17,4 m auf 17,8 m für den verzugskompensierten 80-Lagen-Aufbau. Die Simulationsergebnisse nach der Verzugskompensation sind in Abbildung 3 dargestellt: Der Verzug hat sich im Vergleich zum unkompensierten Bauteil in Abbildung 1 deutlich verringert. Die negative Einbeulung auf der linken Seite ist mit Werten von 0,05 mm insignifikant. Der signifikanteste verbleibende Verzug beträgt +0,14 mm in der Mitte des Bauteils zwischen den Verstrebungen, aber selbst hier reduziert die Kompensation den Maximalverzug: 0,14 mm Verzug um 65% von ursprünglich 0,43 mm. Die Fortsetzung der Ausbeulung über fast die vollständige Höhe des Bauteils konnte auch vermieden werden. Fazit Zusammenfassend erlaubt die numerische Schweißverzugssimulation die Vorhersage von Bauteilverzug auch im additiven DED Prozess. Beim untersuchten Demonstrator konnte zwischen Experiment und Simulation eine sehr gute Übereinstimmung erreicht werden. Durch die Invertierung des berechneten Verzugs wurde ein Verzugsnegativ erstellt und erneut aufgebaut. Unter der Hypothese, dass sich der Verzug am veränderten Bauteil an der gleichen Stelle und in der gleichen Größe ausbildet, sollte das kompensierte Bauteil im Vergleich zum CAD verzugsfrei sein. In der Simulation zeigen sich signifikant verringerte Verzüge mit einer Reduktion von mehr als 65%. Schlussendlich kann bei Verwendung der Verzugskompensation in der Praxis das Aufmaß für die mechanische Nachbearbeitung reduziert und unnötiges Zerspanvolumen vermieden werden. 1) Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK), Berlin 2) Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb, Technische Universität Berlin, 10623 Berlin 3) Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM), Berlin 48 April 2020 stahlundeisen.de
WISSENSCHAFT TECHNIK Additive Manufacturing Lagenaufbau mittels Lichtbogen Auch das Verfahren Wire Arc Additive Manufacturing ermöglicht Flexibilität in der Bauteilgeometrie AUTORIN: Kirsten Ludwig, redaktion@stahlundeisen.de DARUM GEHT’S: Das Fertigungsverfahren Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), also der lichtbogenbasierte Lagenaufbau, ermöglicht eine große Flexibilität in der Bauteilgeometrie. Insbesondere für den Prototypenbau und für Kleinserien sei das Verfahren wirtschaftlicher als andere additive Prozesse für Metall, so die Autorin. Entscheidend für die Qualität der gefertigten Bauteile sei dabei der Schweißprozess. Während sich das Pulverbettverfahren als die gängigste Variante des Aufschmelzens von Metallpulver durch hohe Präzision auszeichnet, ist es in der Produktion vergleichsweise langsam. Drahtbasierte Prozesse hingegen schmelzen einen Zusatzwerkstoff in Form von Draht ab und bauen so das Bauteil auf. Hierfür werden Laser, Elektronenstrahl oder Lichtbogen verwendet. Diese Verfahren weisen hohe Abschmelzleistungen auf und tragen so zu kurzen Fertigungszeiten bei. So ist es auch beim additiven Fertigungsverfahren Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), bei dem das Lichtbogenschweißen Pate stand. Hohe Abschmelzleistungen Wire Arc Additive Manufacturing als drahtbasiertes Verfahren nutzt den Metall-Schutzgas-Schweißprozess (MSG) und erzielt hohe Abschmelzleistungen – bisher bei Stahlwerkstoffen bis zu vier Kilogramm in der Stunde. Mehrdrahtlösungen könnten in Zukunft noch höhere Abschmelzraten möglich machen. Auch die Anlagen- und Materialkosten sind wichtige Kriterien: WAAM setzt lediglich ein geeignetes Schweißsystem voraus, teure Spezial- Anlagen wie etwa Vakuumkammern, die beim schnelleren Elektronenstrahl- Verfahren zum Einsatz kommen, fallen weg. Interessant ist auch, dass es eine Die reversierende Drahtelektrode beim CMT-Schweißprozess unterstützt die Tropfenablöse mechanisch: Dadurch wird weniger Energie benötigt und lange Kurzschlusszeiten werden erreicht – für einen „kalten“ Schweißprozess. Reihe unterschiedlicher bereits zertifizierter Drähte gibt. „Kalter“ Schweißprozess für stabilen Lagenaufbau Maschinenbau GmbH Für die Bauteilfertigung sind die Stabilität des verwendeten Schweißprozesses und die Wärmeableitung entscheidend. Der Schweißprozess muss so energiearm, also so „kalt“ wie möglich sein, damit die unteren Schichten nicht erneut aufschmelzen. Außerdem muss die geschweißte Lage durchgängig, spritzerfrei und gleichmäßig sein. Käme es zu einem Fehler, würde sich dieser in den Lagen darüber fortsetzen. Der MSG-Prozess „CMT“ von Fronius sowie dessen Prozessregelvarianten „CMT additive“ und „CMT Cycle Step“ erfüllen diese Ansprüche. Sie zeichnen sich durch einen stabilen Lichtbogen und einen kontrollierten Kurzschluss mit langen Kurzschlusszeiten aus. Dadurch ist der Wärmeeintrag geringer und der Werkstoffübergang ist annähernd spritzerfrei. Insbesondere die zweite Variante reduziert die Lichtbogenleistung nochmals durch gezieltes Abschalten in der Prozessphase. Da die Abschmelzrate geringer ist, benötigt der besonders „kalte“ Prozess jedoch mehr Zeit für den Lagenaufbau. WAAM-Anwendungen in der Praxis Zahlreiche WAAM-Bauteile wurden bereits in unterschiedlichen Industriezweigen mit dieser Schweißtechnik hergestellt: Lüfterräder etwa, wie sie in der Elektroindustrie eingesetzt werden, bestehen aus hochwertigen Materialien. Das Werkstück zu fräsen ist wegen des hohen Materialverbrauchs kostspielig und ein Guss bei dünnen Wandstärken von etwa 1,5 Millimetern meist kritisch. Eine weitere Anwendung wurde in der Flugzeugindustrie umgesetzt. Dort wird ein Großteil der Bauteile subtraktiv – wobei bis zu 90 % des Materials abgefräst werden. Mit WAAM hergestellte Bauteile müssen im Gegensatz dazu nur noch nachbearbeitet werden, um glatte Oberflächen zu erhalten. engineering and manufacturing Equipment and devices for forging industries Hornstraße 19 45964 Gladbeck Germany Tel. + 49 (0) 2043 9738 0 Fax + 49 (0) 2043 9738 50 Web www.glama.de stahlundeisen.de April 2020 49
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