DVS_Bericht_394LP

2024
DVS-BERICHTE
44. Assistentenseminar
Fügetechnik

44. Assistentenseminar
Füge- und Schweißtechnik
Vorträge der gleichnamigen Veranstaltung
in Päwesin vom 20. bis 22. September 2023
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik,
RWTH Aachen
Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb,
Technische Universität Berlin
Institut für Füge- und Schweißtechnik,
Technische Universität Braunschweig
Professur Schweißtechnik
Technische Universität Chemnitz
Institut für Schweißtechnik und Trennende
Fertigungsverfahren, Technische Universität Clausthal
Institut für Fertigungstechnik,
Technische Universität Dresden
Institut für Werkstoff- und Fügetechnik,
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Additiven Fertigung,
Technische Universität München

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de
abrufbar.
Das Assistentenseminar Füge- und Schweißtechnik findet mit wechselndem Veranstalter statt. Das
44. Assistentenseminar wurde vom Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der
Technischen Universität Berlin veranstaltet.
DVS-Berichte Band 394
ISBN 978-3-96144-267-6 (Print)
ISBN 978-3-96144-268-3 (E-Book)
Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung jeglicher Art
dieses Bandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf.
© DVS Media GmbH, Düsseldorf 2024
Herstellung: WIRmachenDRUCK GmbH, Backnang

Vorwort
Zum 44. Assistentenseminar lud die Wissenschaftliche Gesellschaft Fügetechnik (WGF) e.V. im DVS die
großen schweißtechnischen Institute Deutschlands ein. Die Organisation wurde in diesem Jahr durch das
Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin organisiert
und durchgeführt. An der Veranstaltung nahmen folgende Institute teil:
- Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen
- Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU Berlin
- Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig
- Professur Schweißtechnik der TU Chemnitz
- Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren der TU Clausthal
- Institut für Fertigungstechnik der TU Dresden
- Institut für Werkstoff- und Fügetechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
- Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Additiven Fertigung der TU München
Das Assistentenseminar fand vom 20. Bis 22. September 2023 in Bollmannsruh/Päwesin statt und hatte
35 Teilnehmer. Diese jährliche Veranstaltung bietet den jungen Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftlern der schweißtechnischen Institute eine sehr gute Gelegenheit zum Austausch mit den
Kolleginnen und Kollegen, Oberassistenten und Professoren. In 21 Fachvorträgen zu Themengebieten
wie der Additiven Fertigung, zu strahltechnischen sowie lichtbogenbasierten Fügeverfahren, der
Simulation von Schweißverfahren und zur Prüfung & Eigenschaften gefügter Verbindungen konnten die
Teilnehmer ihre aktuellen Forschungsergebnisse präsentieren und diskutieren.
Neben dem fachlichen Diskurs konnten sich die Teilnehmer am ersten Abend bei einem Get-Together
am Beetzsee kennenlernen. Ein Team-Event bestehend aus Bogengolfen und einer Kanufahrt am
zweiten Veranstaltungstag in zwei Gruppen über die Institutsgrenzen hinweg förderte Teamwork,
Durchhaltevermögen und Geschicklichkeit gleichermaßen. Das abendliche Grillen auf der Seeterrasse
regte zur Fortführung fachlicher Diskussionen und zur intensiven Kommunikation an.
Die Veranstaltung sowie die Publikation des Tagungsbands wurden finanziell durch den DVS – Deutscher
Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. sowie die Wissenschaftliche Gesellschaft
Fügetechnik (WGF) e.V. im DVS unterstützt. Herzlichen Dank an alle Unterstützer!
Dr.-Ing. Marcel Bachmann
Prof. Dr.-Ing. Michael Rethmeier

Vortragsabfolge
AUTOR TITEL SEITE
T. Reindl
E. Bethge
M. Schop
S. Warkentin
P. Blaschke
M. Baumgarten
S.N. Putra
K.R.K. Murthy
F. Yang
T. Werner
L.P. Diem
H. Miedlig
M. Dadkhah
Numerische Untersuchungen zu einem temperaturgeführten
Wire Arc Additive Manufacturing Prozess
Untersuchung des roboterunterstützten Wire
Arc Additive Manufacturing auf crashrelevanten
Aluminium-Druckgussbauteilen
Draht- und lichtbogenbasierte additive Fertigung von
Kupfer-Zink-Legierungen
Das Potential der Smoothed Particle Hydrodynamics
Methode für die Simulation des MSG-Schweißprozesses
Simulationsbasierter Konstruktionsprozess zur Entwicklung
effizienter Leichtbaustrukturen
Prozesssimulation von Buckelschweißen einsatzgehärteter
Bauteile mit Kondensatorentladung
Einfluss der temperaturabhängigen Modellierung der
Laserstrahlabsorption auf die Schmelzbadgeometrie beim
Hochleistungslaserstrahlschweißen
Numerische Untersuchung des LTT-Effekts und der Verzüge
in hochlegiertem Stahl beim Laserstrahlschweißen
Experimental and numerical investigation of the
suppression mechanism of an oscillating magnetic field on
process porosity during laser beam welding
Einfluss der Kaltumformung auf die
Umwandlungstemperatur hochfester Feinkornbaustähle
Elektrisches Kontaktverhalten geclinchter
Fügeverbindungen
Entwicklung einer vereinfachten Prüfmethode zur
Bewertung der Gefahr wasserstoffunterstützter Kaltrisse
beim Lichtbogenschweißen hochfester Stähle
Residual stress and hardening condition of cold formed
welded TRIP and TWIP steels
1
12
21
35
44
51
57
69
77
87
93
102
110

R. Rimpl
J. Lemke
S. Rauh
S. Imrich
M. Mierzwa
T. Söldner
T. Eßbach
S. Brechelt
Betrachtung von Bauteileigenschaften additiv gefertigter,
funktional gradierter Materialien (FGM) aus 42CrMo4 und
Alloy 625
Fließfähigkeitsanalyse zweier Pulverfraktionen aus AISI
316L und resultierende Bauteildichte DED-LB aufgebauter
Quader
Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen von Kupfer-
Wolfram- Komposit-Pulver
Herausforderungen bei der additiven Fertigung unter
Verwendung des WIG-Heißdrahtverfahrens
Entwicklung eines multidirektionalen DED-Arc-Prozesses
mit Werkstückführung
Hybride lichtbogenbasierte additive Fertigung auf
Open-Source-Basis
Laser Laminated Object Manufacturing (LLOM) –
Strukturieren & Fügen metallischer Foliensubstrate mittels
Laser zur Herstellung von Kanal- bzw. Hohlstrukturen
Erhöhung der Elektrodenstandmenge beim
Widerstandspunktschweißen von Aluminiumlegierungen
durch Einsatz von Elektrodenmodifikationen
122
131
141
151
160
170
177
185
Autorenverzeichnis ………………………………………………………………………………………. 193

Numerische Untersuchungen zu einem temperaturgeführten Wire Arc
Additive Manufacturing Prozess
Thomas Reindl, Nico Hempel, Peter Mayr
Technische Universität München, Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Additiven Fertigung
Die Additive Fertigung mit Metallen erfährt seit Jahrzehnten ein zunehmendes industrielles Interesse, welches
sich in einer voranschreitenden Ausweitung der Anwendungsfelder widerspiegelt. Neben den allgemein bekannten
pulverbettbasierten 3D-Druck-Technologien wird häufig das Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)
Verfahren zur nachhaltigen sowie zeiteffizienten Fertigung von großvolumigen und komplexen Metallbauteilen
eingesetzt. Allerdings stehen den vielen Prozessvorteilen auch Hürden in Form von einer mangelnden thermischen
Prozesskontrolle begleitet von ineffizienten Prozesspausen als Abkühlphasen gegenüber, welche einer
weiteren Etablierung von WAAM in der Industrie entgegenwirken.
Ziel der Arbeit ist es, anhand erster numerischer Untersuchungen mit Simufact Welding die Einflüsse einer
selbstkonzipierten Substratplattentemperierung auf den WAAM-Prozess zu ermitteln. Dabei kann nachgewiesen
werden, dass die Anfangstemperatur der Substratplatte zu Prozessbeginn einen signifikanten Einfluss auf
die Entwicklung der Zwischenlagentemperaturen und Abkühlraten während des Fertigungsvorgangs hat. Zusätzlich
wird gezeigt, dass mit einer lokalen Wärmeeinwirkung eine nachhaltige Beeinflussung des Abkühlverhaltens
erwirkt werden kann. Darüber hinaus wird verdeutlicht, dass die Berücksichtigung der realen Versuchsumgebung
für den betrachteten Fall nicht vernachlässigt werden kann und somit idealisierte Berechnungen
nur für eine erste Einschätzung der Effektivität verschiedener Temperierungsstrategien und als Grundlage
für eine exaktere Modellierung dienen. Insgesamt wird anhand der Ergebnisse das Potenzial einer Substratplattentemperierung
als Komponente einer temperaturbasierten Prozessführung aufgezeigt.
1 Einleitung
Additive Fertigungstechnologien sind aus der modernen Fertigungsindustrie längst nicht mehr wegzudenken.
Es existiert eine Vielzahl an verschiedenen Prozesstypen, welche die Verarbeitung einer großen Bandbreite
an unterschiedlichen Materialien ermöglichen. Neben der Verarbeitung von Polymeren liegen im industriellen
Kontext zunehmend Metalle im Fokus. Befeuert durch die stetige Weiterentwicklung und Optimierung der additiven
Fertigungstechnologien ist in der jüngsten Vergangenheit in der metallbasierten Industriesparte eine
Zunahme an Anwendungsmöglichkeiten zu beobachten [1]. Dies hat im Umkehrschluss zur Folge, dass weitere
Industriesektoren den 3D-Druck von Metallen in Betracht ziehen. Führende Industriezweige hinsichtlich
des Einsatzes von metallbasierter Additiver Fertigung sind die Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrtindustrie
sowie die Medizinbranche [1].
Der zunehmende Einsatz der Additiven Fertigung von Metallen in der Industrie ist primär den Prozessvorteilen
der Designfreiheit sowie der endkonturnahen und nachhaltigen Bauteilfertigung zuzuschreiben. Verglichen zu
den pulverbettbasierten Technologien, wie z. B. Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen (engl. Powder Bed
Fusion – Laser Beam, Abk. PBF-LB), überzeugt im Speziellen das WAAM-Verfahren mit der Fähigkeit, großvolumige
und komplexe Bauteile mit deutlich höheren Aufbauraten zu generieren [2]. Als weitere positive Aspekte
sind die Optionen der Multi-Material-Fertigung, der Bauteilreparatur sowie der hybriden Fertigung zu
nennen. Konträr dazu weist die WAAM-Technologie auch einige Hürden und Schwierigkeiten auf, welche einer
vollständigen Etablierung im industriellen Umfeld entgegenstehen [1, 3]. Hierbei ist unter anderem eine unzureichende
Regulierung des Wärmeeintrages während des Prozesses zu nennen, welche sich in einem Zeitverlust
durch Abkühlphasen sowie in inhomogenen Werkstoffeigenschaften aufgrund variierender thermischer
Randbedingungen widerspiegelt.
Um diese Problematik zu adressieren, wird der Ansatz einer temperaturbasierten Prozessführung des WAAM-
Verfahrens verfolgt. Als Teil dieses Vorhabens stehen im Rahmen dieser Arbeit numerische Untersuchungen
mit der Schweißsimulationssoftware Simufact Welding (Hexagon) im Vordergrund. Dabei gilt es, eine mögliche
Beeinflussung auftretender Zwischenlagentemperaturen und Abkühlraten mit Hilfe einer eigenkonzipierten
Substratplattentemperierung simulativ zu untersuchen. Dadurch werden die Möglichkeiten und Limitationen
des Temperierungssystems ohne zusätzlichem Versuchsaufwand in einer zeiteffizienten und ökonomischen
Weise detektiert. Außerdem wird sowohl eine Qualifizierung der Untersuchungsmethodik mittels eines Abgleiches
einzelner Simulationsresultate mit experimentellen Messwerten durchgeführt als auch ein Abgleich der
verschiedenen Modellierungsstrategien vorgenommen. Aufbauend darauf wird die mögliche Prozessbeeinflussung
anhand verschiedener Heiz- und Kühltaktiken ermittelt. Im Umkehrschluss werden dadurch mögliche
Anforderungen an Heiz- und Kühlkomponenten für eine WAAM-Anlagenkonzipierung mit Temperaturführung
verdeutlicht.
DVS 394 1

2 Stand der Wissenschaft und Technik
Eine große Herausforderung bei der Bauteilfertigung mittels WAAM stellen die schwer zu kontrollierenden
thermischen Gegebenheiten dar [4, 5]. Diese äußeren sich in Form von variierenden Abkühlraten, wechselnden
Zwischenlagentemperaturen und inkonstanten Wärmeströmen. Ein weiterer Begleiteffekt dieser Phänomene
kann sein, dass Prozesspausen als Kühlphasen eingetaktet werden müssen, um eine Überhitzung während
des Fertigungsvorgangs zu vermeiden [5]. Gegensätzlich dazu kann zu Beginn des Fertigungsprozesses
auch ein zusätzlicher Wärmeeintrag zur Verminderung der Abkühlgeschwindigkeit erforderlich sein [6]. Prozessseitig
ist der Ansatz naheliegend, den benötigten Eintrag an Streckenenergie mittels einer Variation der
Schweißparameter zu kompensieren. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass durch eine resultierende veränderliche
Schichtgeometrie eine unzureichende geometrische Fertigungsgenauigkeit erzielt wird. Zudem ist die
Wahl der Fertigungsvariablen durch das begrenzte individuell bestehende Prozessfenster limitiert. Folglich
liegt der Ansatz nahe, mit externen Heiz- und Kühlstrategien die Prozesstemperatur inklusive dem Wärmefluss
im Bauteil zu kontrollieren. Im Rahmen von verschiedenen Forschungsarbeiten [4, 5, 7 – 14] wurden hierzu
bereits mehrere Konzepte entwickelt, angewandt und untersucht.
Betrachtet man die Funktionsprinzipien einiger in der Literatur beschriebenen aktiven Kühlmethoden, fällt auf,
dass sowohl stationäre als auch dynamische Systeme verfolgt werden. Außerdem sind neben den üblich eingesetzten
fluidbasierten Verfahrensweisen auch Forschungsansätze in Verbindung mit Festkörperkomponenten
bekannt. Bei einer weitverbreiteten stationären Kühlstrategie ist die Wärmeabfuhr über einen durchflussgekühlten
Schweißtisch bzw. eine durchflussgekühlte Platte unterhalb der Substratplatte zu nennen, wie es in
den Publikationen [5, 7 – 9] gezeigt wird. Dabei ist sowohl eine Variation der geometrischen Gestaltung als
auch der technischen Realisierung festzustellen. Ein vergleichbares weiteres Kühlprinzip in einer dynamischen
Ausführung wird in [10] dargelegt. Dort wird das Konzept einer Kontaktkühlung mit wasserdurchflossenen
Kupferblöcken beschrieben, welche während des Prozesses entsprechend der zunehmenden Bauhöhe manuell
nachgeführt werden. Eine alternative kontaktbasierte Kühlung wird von Li et al. [11] vorgestellt. Darin
erfolgt die Wärmeabfuhr mittels zweier thermoelektrischer Kühlkomponenten, wobei der Kontakt zwischen
Kühlkörper und Bauteil jeweils durch Silikonkautschukelemente hergestellt wird. Die Nachführung der Kühleinheit
bei steigender Schichtzahl wird über einen in den Versuchsaufbau integrierten Schrittmotor realisiert.
Eine schematische Darstellung der erläuterten Kühlstrategien samt einer Referenzdarstellung ohne Aktivkühlung
ist in der nachfolgenden Abbildung 1 visualisiert.
Abbildung 1. Schematische Darstellung der Kühlstrategien mit Festkörperkomponenten (a = keine aktive Kühlung;
b = durchflussgekühlter Schweißtisch; c = wasserdurchflossene Kontaktkühlung; d = thermoelektrische Kühlung)
Alternativ zu den Kühlungen mit Festkörperkomponenten sind auch vollständig fluidbasierte Wärmeableitungsmethoden
gängige Praxis (vgl. Abbildung 2). Dabei wird primär der Einsatz einer Luft- bzw. Gaskühlung präferiert,
wie es beispielsweise in den Arbeiten [12 – 14] enthalten ist. Es ist jedoch beobachten, dass ein vermeintlich
simples Kühlsystem eine Vielzahl an Realisierungs- und Variationsmöglichkeiten bietet. Beispielsweise
zeigen die Untersuchungen von Ma et al. [14] eine variierende Kühlwirkung bei dem Einsatz unterschiedlicher
Kühlgase auf. Dabei stellte sich unter anderem heraus, dass CO2 zu einem besseren Kühleffekt
als N2 oder Luft führen kann. Bei Ding et al. [12] stand hingegen der Einfluss der Gasflussrate zur Verbesserung
der mechanischen Eigenschaften unter Einsatz von Ti6AL4V im Fokus. In diesem Kontext wurden jedoch
mit der Änderung der Kühlzeit bessere Ergebnisse erreicht als mit einer Variation der Durchflussrate. Eine
weitere Kühlmöglichkeit bietet die Verwendung eines Wasserbades. An dieser Stelle kann erneut zwischen
den Ansätzen einer stationären sowie einer dynamischen Kühlsystematik differenziert werden. Während bei
einem stationären System eine passive Kühlung der Substratplatte durch eine Flüssigkeit mit einer konstanten
Füllmenge erfolgt, wie z. B. in [4] beschrieben, wird der Flüssigkeitsfüllstand bei der dynamischen Variante
2
DVS 394

korrelierend zu einem vordefinierten Abstand zur Bauteiloberfläche nachgeregelt. Eine Wasserbadkühlung mit
variierender Füllmenge wird in den beiden Forschungsarbeiten [4, 13] näher ausgeführt. Eine Übersicht der
fluidbasierten Kühlstrategien ist in Abbildung 2 gegeben.
Abbildung 2. Schematische Darstellung der fluidbasierten Kühlstrategien (a = keine aktive Kühlung; e = Luft- / Gaskühlung;
f = stationäre Wasserbadkühlung; g = dynamische Wasserbadkühlung)
Konträr zu den Kühlstrategien ist auch das Vorwärmen der Substratplatte beim WAAM nicht unwesentlich.
Beispielsweise untersuchen Gudur et al. [8] den Effekt des Vorwärmens einer Substratplatte mit Hilfe von
Widerstandsheizelementen. Alternativ kann eine Substratplatten-Vorwärmung unter Verwendung weiterer
gängiger Methoden erfolgen, darunter das Erhitzen mittels eines Ofens, Induktionsheizgeräten oder konventionell
unter Zuhilfenahme einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme. Neben der grundsätzlichen technischen Umsetzung
verschiedener Substratplattentemperierungs- bzw. Heiz- und Kühlmöglichkeiten steht im Rahmen dieser
Arbeit die numerische Untersuchung dieser Ansätze im Vordergrund. Aus diesem Grund werden nachfolgend
Voruntersuchungen und Vorgehensweisen betrachtet, welche die Modellierung des WAAM-Verfahrens sowie
die Simulation von Temperierungstools während des Prozesses thematisieren.
Die Modellierung des WAAM-Prozesses ermöglicht es, in einem ökonomischen und zeiteffizienten Weg, resultierende
Bauteileigenschaften vorherzusagen. Außerdem wird die Auswirkung verschiedener Parameter
auf das Fertigungsverfahren numerisch ermittelt und visuell dargestellt. Allerdings birgt eine Prozesssimulation
zumeist gewisse Unsicherheitsfaktoren, welche zu Abweichungen zwischen den experimentellen sowie den
simulativ erhobenen Daten führen können. Aus diesem Grund sind auch numerische Untersuchungen zum
WAAM-Verfahren als aktueller Forschungsgegenstand präsent. Um sich dem Ziel einer präzisen Prozess- und
Eigenschaftsvorhersage durch Simulation weiter anzunähern, werden unter Verwendung verschiedener Softwarepakete
unterschiedliche Herangehensweisen betrachtet und gegenübergestellt. Im Mittelpunkt steht dabei
zweifellos die realitätsnahe Modellierung der Wärmequelle. Diese ist wiederrum ausschlaggebend für die
Qualität des generierten Ergebnisses. Häufig wird hierbei auf das Doppel-Ellipsoid-Modell zurückgegriffen,
welches erstmalig in [15] von Goldak et al. für Schweißwärmequellen beschrieben wurde. Die darin erläuterten
Untersuchungen konnten eine realitätsnahe Wärmequellenabbildung und Datengenerierung nachweisen.
Seither wird das Doppel-Ellipsoid-Modell nach Goldak et al. [15] häufig im Zusammenhang mit der Modellierung
des WAAM-Prozesses eingesetzt (z. B. [6, 14, 16]). Dabei werden unterschiedliche Forschungsziele
verfolgt, inmitten welcher auch diese Arbeit einzuordnen ist. Im Rahmen der Untersuchungen von Ma et al.
[14] erfolgt unter anderem die numerische Gegenüberstellung des Einflusses einer in-situ Gaskühlung mit
Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Luft. Als Ausgangsgeometrie liegt dabei ein geradliniges und aus 20 Auftragsschichten
bestehendes Bauteil bzw. Modell zugrunde. Die Simulationen wurden mit MSC Marc (Hexagon)
durchgeführt. Mit einem etwas anderem Forschungsfokus wird in [16] das Wärmequellenmanagement beim
WAAM von Al-Mg- und Al-Si-Legierungen untersucht, wobei erneut eine geradlinige Modellgeometrie angewandt
wird. Zudem wird parallel zur vorliegenden Arbeit Simufact Welding als Simulationssoftware eingesetzt.
In den Betrachtungen nach Xiong et al. [6] steht hingegen der Einfluss einer Substratplatten-Vorwärmung auf
das thermische Verhalten während des Prozesses im Fokus. Dabei wird eine lediglich zehnschichtige, dünnwandige
und rotationssymmetrische Geometrie simulativ mit der Software MSC Marc untersucht. Als Empfehlung
geht hervor, dass bei den angegebenen Rahmenbedingungen das vorangehende Beheizen der Substratplatte
zu einer Verringerung von thermischen Spannungen sowie der Neigung zur Rissbildung dienen kann.
Ansetzend an den Erkenntnissen und Methodiken werden mittels dieser Arbeit weiterführende numerische
Untersuchungen zu einem temperaturbeeinflussten WAAM-Prozess vorangetrieben.
DVS 394 3

3 Prozessführungs- und Temperierungsprinzip
Das Funktionsprinzip einer temperaturgeführten WAAM-Anlage basiert auf der Messung und Beeinflussung
der Prozesstemperaturen. Grundsätzlich handelt es sich um ein WAAM-System, welches eine temperaturkontrollierte
Fertigung mit Hilfe einer Wärmebildkamera, einer Substratplattenkühlung bzw. -beheizung, dynamischen
und lokal einsetzbaren externen Kühl- und Heizkomponenten sowie den typischen zentralen Bausteinen
einer WAAM-Apparatur ermöglicht (vgl. Abbildung 3). Dabei werden mittels einer Wärmebildkamera pixelbasiert
sämtliche Temperaturen im Messbereich live erfasst. Diese Informationen werden in das Steuerungssystem
überführt, worin ein Soll-Ist-Abgleich durchgeführt wird. Basierend darauf werden die Heiz- und Kühlkomponenten
bedarfsorientiert angesteuert, um den erforderlichen Zwischenlagentemperaturen bzw. Abkühlraten
gerecht zu werden. Dadurch soll das Erreichen von vordefinierten materialbasierten Bauteileigenschaften ermöglicht
werden. Zudem ist die Aussicht auf die Möglichkeit eines bereichsweisen Variierens von zuvor festgelegten
Werkstoffcharakteristiken innerhalb eines Bauteils gegeben.
Nutzer
Sollvorgabe
Soll-Ist-Abgleich
abgeleitete
Maßnahmen
zusätzliche Wärmezufuhr
externe Heiz- und
Kühlkomponenten
erhöhte Wärmeabfuhr
Messung
Messdaten
Abbildung 3. Funktionsprinzip einer temperaturgeführten WAAM-Anlage
Für die technische Realisierung eines temperaturgeführten WAAM-Systems bedarf es zuerst an Konzepten
für die unterschiedlichen Heiz- und Kühlkomponenten. Im ersten Schritt wird im Rahmen dieser Arbeit ein
Fokus auf eine Temperierung der Substratplatte gelegt. Dazu wird sowohl eine entwickelte Kühleinheit als
auch ein Vorwärmsystem in einen bestehenden WAAM-Aufbau integriert. Die Kühleinheit (vgl. Abbildung 4
links) besteht im Wesentlichen aus zwei mit halbrunden Nuten versehenen Aluminiumplatten, welche ein in
Wendeln angeordnetes Kupferrohrsystem einschließen und miteinander verschraubt sind. Zwischen den
Rohroberflächen und den Nutenflächen befindet sich zur verbesserten Wärmeleitung eine Wärmeleitpaste.
Das Rohrsystem ist wasserdurchflossen und an einen Kühlwasser-Rückkühler angeschlossen, wodurch der
Kühlkreis komplettiert wird. Das Vorwärmsystem wird gegensätzlich zur Kühlung flexibler und dynamischer
gestaltet, wodurch die Möglichkeit einer punktuellen Vorwärmung gegeben ist. Dazu wird ein kollaborativer
Roboter (Kobot) mit einem Vorwärminduktor bestückt (vgl. Abbildung 4 rechts). Durch den Induktor kann der
Wärmeeintrag gezielt reguliert werden, wohingegen durch den Kobot Bewegungen mit sämtlichen notwendigen
Freiheitsgraden möglich sind. Im Beispiel wird eine translatorische Vorwärmung gezeigt.
Kühlwassereintritt
Kühlwasseraustritt
translatorische
Kobot-Bewegung
Substratplatte
Substratplatte
Induktor
vorgewärmtes
Material
wasserdurchflossene Kupferrohre
Schweißtisch
Abbildung 4. Konzipierte Kühleinheit (links) und Vorwärmsystem (rechts) zur Substratplattentemperierung
4
DVS 394

4 Qualifizierungsvorgang und numerische Untersuchungen
Für eine weitere Konkretisierung sowie Dimensionierung der geplanten Kühl- und Heizkomponenten im Rahmen
einer Substratplattentemperierung sind zusätzliche Untersuchungen erforderlich. Primär sind die Größe
und Art des Einflusses der aufgestellten Konzepte auf einen WAAM-Prozess zu ermitteln. Anschließend können
die benötigten Systemanforderungen sowie die technischen Limitationen für eine Implementierung in den
Fertigungsprozess bestimmt werden. Zudem liegt eine darauf aufbauende Optimierung hinsichtlich der geometrischen
Ausführung sowie der Materialauswahl nahe.
Um diese Vielfalt an benötigten Daten in einem ökonomischen und zeiteffizienten Weg festzustellen, wurde
eine simulationsbasierte Untersuchung präferiert. Für den Nachweis der Eignung dieses angedachten Vorgehens
wurde vorweg ein Qualifizierungsvorgang durchlaufen. Das Grundprinzip dieses Vorgangs ist es, den
WAAM-Fertigungsprozess eines Bauteils simulativ nachzustellen. Die aus der numerischen Untersuchung erhaltenen
Daten werden anschließend mit experimentell ermittelten Temperaturmesswerten verglichen. Beruhend
auf dieser Gegenüberstellung kann eine Aussage zur Eignung der geplanten Methodik getroffen werden.
Zuerst wurde für den Qualifizierungsvorgang eine geeignete Bauteilgeometrie definiert. Dabei wurde eine in
sich geschlossene, rotationssymmetrische und dünnwandige Gestaltung einer geradlinigen Variante vorgezogen.
Als Abmessungen wurden ein mittlerer Durchmesser von 100 mm, eine Höhe von 70 mm sowie eine
Wandstärke von ca. 3 mm bei einer Schichthöhe von je 1 mm festgelegt. Hintergrund ist, dass bei einem
Hohlzylinder ohne Leerbewegungen des Brenners und somit unter Vermeidung von Prozesspausen eine stetige
Bauteilproduktion erfolgen kann, was eine gleichmäßigere Temperaturverteilung sowie Wärmeableitung
zur Folge hat. Die Wahl einer Geometrie mit 70 Schichten hat zudem den Vorteil, dass eine längere Betrachtung
des Aufheiz- und Abkühlverhaltens ermöglicht wird, wodurch eine solide Datengrundlage für die Beurteilung
der Untersuchungseignung gegeben ist.
Der experimentelle Aufbau inkludierte eine Fronius TPS 500i PULSE Schweißquelle geführt von einem
YASKAWA Schweißroboter und eine Optris Xi400 Wärmebildkamera (382 x 288 Auflösung) zur Temperaturerfassung.
Die zuverlässige Temperaturmessung der Kamera im gewählten kalibrierten Messbereich
(200 – 1500°C) wurde im Vorfeld bereits mittels Thermoelementmessungen und Pyrometermessungen verifiziert.
Der Hohlzylinder wurde unter Verwendung einer unverkupferten Drahtelektrode (OK Aristorod 12.50,
ESAB) der Güte G3Si1 mit einem Durchmesser von 1,2 mm und unter Ar-Schutzgas (ARCAL Speed, Air Liquide)
gefertigt. Zur verbesserten Anbindung wurde für die ersten beiden Schichten eine erhöhte Streckenenergie
gewählt. Ab der dritten Schicht lagen die Parameter in einem Bereich von 70 – 80 A bei ca. 11,5 V
und ca. 10 mm/s Verfahrgeschwindigkeit. Die Abmaße der Substratplatte aus unlegiertem Baustahl (S235JR)
waren 150 x 150 x 12 mm.
Die numerischen Untersuchungen wurden mit der Schweißsimulationssoftware Simufact Welding
(Version 2022.0.1) durchgeführt. Die Wärmequellenmodellierung erfolgte mittels des softwareintegrierten Eingabetools
basierend auf dem Doppel-Ellipsoid-Modell nach Goldak et al. [15]. Die Parameterwahl sowie die
Bauteil- und Substratplattengeometrie sind analog zu den Experimenten. Die Vernetzung des Hohlzylinders
erfolgte mit ca. 80000 Hexaeder-Elementen (ca. 1 x 1 x 1 mm pro Element).
Der Qualifizierungsvorgang fokussierte sich auf die Gegenüberstellung der simulativ und experimentell ermittelten
Temperaturverläufe über die Prozesszeit, wofür pixelbasierte Datensätze mit den jeweils korrelierenden
errechneten Werten einzelner Vernetzungselemente verglichen wurden. Diese Prozedur wurde an verschiedenen
Bauteilpositionen und zu unterschiedlichen Prozesszeiten wiederholt. Exemplarisch ist nachfolgend ein
besonders kritisch zu interpretierender Ausschnitt dieses Qualifizierungsablaufs dargestellt (vgl. Abbildung 5
links). Dabei zeigt der blaue Temperaturverlauf die numerisch ermittelten Werte auf, wohingegen der orangefarbene
Graph die erfassten Messdaten visualisiert. Vergleicht man die beiden Ergebniskurven, fallen mehrere
Unregelmäßigkeiten auf, welche durch unterschiedliche Markierungen hervorgehoben sind.
Zuerst ist auf den mit roter Umrandung gekennzeichneten Wertebereich zu verweisen, welcher lediglich experimentelle
Messwerte beinhaltet. Diese Diskrepanz in Form eines abweichenden Messstarts ist darauf zurückzuführen,
dass die Datenerhebung bei der Simulation erst nach Aktivierung des betrachteten Elements
mittels eines Durchlaufens der Wärmequelle erfolgte. Abhängig von der Inkrement-gekoppelten Zeitschrittweite
wurde im darauffolgenden Simulationsschritt der Ergebniswert erfasst. Die Wärmebildkamera maß gegenteilig
dazu ab Prozessbeginn an jedem Pixel die individuellen Temperaturverläufe. Allerdings war die Kamera
in dem gegebenen Versuchsaufbau so positioniert, dass ein Bildpunkt etwas mehr als nur eine Schicht
erfasste (vgl. Abbildung 5 rechts). Durch die innerhalb eines Pixels gemittelte Messwerterhebung wurden bereits
bei vorangehenden Schichten erste niedrigere Temperaturzyklen erfasst. Weitere Auswirkungen dieser
pixelbasierten Mittelung spiegeln sich in Form von den mit blau markierten verringerten Maximaltemperaturen
sowie den grün gekennzeichneten zeitlichen Differenzen der Peak-Werte wider. Zuletzt ist auf die zur Veranschaulichung
inkludierten Ausreißer der Wärmebildmessdaten zu verweisen. Diese entstanden dadurch, dass
zeitweise der Schweißbrenner das Bildelement verdeckte und somit eine Minimaltemperatur angezeigt wurde.
DVS 394 5

Da der gewählte kalibrierte Messbereich mit einer Untergrenze von 200°C versehen ist, wird jeder Wert darunter
automatisch auf dieses Minimum referenziert. Sobald das Bauteil wie im vorliegenden Fall eine bestimmte
Höhe erreicht hat, entfällt dieser Effekt. Selbes gilt für den zweiten Messzyklus für das besagte Pixel,
wenn die Bauteilvorderseite im Fokus steht.
1500
1250
ΔΔΔΔT max WWWWSSSSSSSSSSSSSSSS
Simulation
Qualifizierungsexperiment
schematisch
dargestellte
Messposition
Temperatur in °C
1000
750
500
Δtttt max WWWWSSSSSSSSSSSSSSSS
Brenner
250
200
0
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Prozesszeit in s
Abbildung 5. Ausschnitt aus dem Qualifizierungsvorgang der Untersuchungsmethodik
Lenkt man neben den genannten Besonderheiten den Fokus auf die jeweiligen Abkühlphasen und Zwischenlagentemperaturen,
ist festzustellen, dass eine sehr gute Übereinstimmung von Simulations- und Messdaten
vorliegt. Während die Heiz- und Abkühlphasen bis auf die zeitliche Diskrepanz nahezu identisch sind, liegen
für die Zwischenlagentemperaturen ab dem zweiten Zyklus weniger als 50°C Differenz vor. Mit zunehmender
Zyklusanzahl und Prozesszeit nehmen die vorhandenen Abweichungen weiter ab, bis sie sich in einem vernachlässigbaren
Bereich befinden. Folglich kann die verwendete Methodik für eine numerische Untersuchung
einer Substratplattentemperierung bei einem WAAM-Verfahren als geeignet angesehen werden.
Im Rahmen der ersten numerischen Untersuchungen des vorgestellten Temperierungskonzeptes der Substratplatte
als Teil eines temperaturgeführten WAAM-Prozesses standen Versuche zur Kühlung, Vorwärmung
und lokalen Temperierung bei konstanten Strahlungs- und Konvektionsbedingungen im Fokus. Insgesamt
wurden zwölf verschiedene Einzelsimulationen ausgeführt, welche nachfolgend aufgelistet sind:
Tabelle 1. Übersicht der Einzelsimulationen
Vorwärmtemperaturen
der Substratplatte
Kühlung
Lokale Temperierung
TTTT AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA,SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSAAAASSSSSSSSSSSSAAAASSSSSSSSSSSS = 20°C; 150°C; 300°C; 500°C; 800°C (ohne Schweißtisch)
TTTT AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA,SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSAAAASSSSSSSSSSSSAAAASSSSSSSSSSSS = 300°C; 500°C (mit Schweißtisch)
TTTT AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA,SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSAAAASSSSSSSSSSSSAAAASSSSSSSSSSSS = 10°C (ohne Schweißtisch);
TTTT AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA,SSSSSSSShwwwwSSSSwwwwßSSSSSSSSSSSSSSSSh = 10°C und TTTT AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA,SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSAAAASSSSSSSSSSSSAAAASSSSSSSSSSSS = 20°C;
gekühlter Schweißtisch (10°C) bei TTTT AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA,SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSAAAASSSSSSSSSSSSAAAASSSSSSSSSSSS = 10°C und TTTT UUUUUUUUAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA = 10°C
200 W Wärmeabfuhr mit 20 mm Nachlauf zum Brenner (ohne Schweißtisch);
200 W Wärmezufuhr mit 20 mm Nachlauf zum Brenner (ohne Schweißtisch)
Das Simulationsmodell (vgl. Abbildung 6) blieb überwiegend unverändert zum Qualifikationsversuch. Lediglich
die Schweißparameter wurden variiert (ca. 80 A, ca. 11 V, ca. 10 mm/s) und blieben über alle 70 Schichten
konstant. Optional wurde der Schweißtisch aus Aluminium in die Simulation integriert. Die Zwischenlagentemperaturen
und Abkühlraten wurden zu Beginn jeder fünften Schicht je ein Inkrement vor Überlagerung erfasst.
Lokale Netzverfeinerung
im
Wurzelbereich
exemplarische
Messstelle für
jede 5. Schicht
Abbildung 6. Simulationsmodell zur Untersuchung einer Substratplattentemperierung
6
DVS 394

5 Ergebnisse
Die durchgeführten numerischen Untersuchungen liefern Ergebnisse zu sieben verschiedenen Vorwärmbedingungen,
drei verschiedenen Kühlfällen sowie zwei verschiedenen lokalen Temperierungsansätzen. Die
Auswertung beinhaltet einerseits die Verläufe der Zwischenlagentemperaturen über der Schweißlagen bzw.
Prozesszeit. Andererseits wird die zeitliche Entwicklung der Abkühlraten betrachtet. Hierbei werden pro Messstelle
jene Werte herangezogen, welche aus dem jeweils letzten durchlaufenen Temperaturzyklus im
t8/5-Bereich resultieren.
Begonnen bei den Ergebnissen zu der errechneten zeitlichen Entwicklung der Zwischenlagentemperaturen
fällt auf, dass eine Temperierung der Substratplatte einen signifikanten Einfluss auf die herrschenden Prozesstemperaturen
haben kann (vgl. Abbildung 7). Beim Referenzversuch (schwarz) zeigt sich ein nichtlinearer
Temperaturanstieg über 35 Schichten. Von dort an liegt eine nahezu konstante Zwischenlagentemperatur von
ca. 520°C ± 20°C vor, gegen welche eine Vielzahl der simulierten Verläufe streben. Ein Vorkühlen der Substratplatte
auf 10°C zeigt im Rahmen der Simulation keine signifikante Auswirkung. Allerdings kann durch eine
Vorwärmung auf 150°C die Plateau-Temperatur ca. drei Schichten früher als beim Referenzversuch erreicht
werden. Bei einer 300°C Vorwärmung wird dieser Effekt verdoppelt. Mit einer 500°C Substratplatten-Vorwärmung
erreicht man ein Vermeiden der Unterschreitung der Plateau-Temperatur ab der 25. Schicht, wohingegen
bei einer 800°C Vortemperierung eine Annäherung an die 520°C bereits ab der 15. Schicht erfolgt. Außerdem
ist der Effekt der erhöhten Wärmeabfuhr durch eine Aluminiumplatte ersichtlich. Verglichen zu den
idealisiert betrachteten Vorwärmungssimulationen mit Isolation durch die Umgebungsluft ist sowohl bei der
150°C als auch bei der 300°C Vorwärmung mit Aluminiumschweißtisch (20°C) eine signifikante Wärmeabfuhr
in den ersten sechs bis sieben Schichten festzustellen. Erst danach erfolgt ein erneuter Temperaturanstieg.
Dasselbe gilt für die Simulation mit einem zusätzlich vorgekühlten Aluminiumschweißtisch, wodurch der Kühleffekt
gegenüber der alleinigen Substratplattenvorkühlung verstärkt wird. Zudem zeigt die Erweiterung um
eine dauerhafte Schweißtischkühlung auf 10°C ab der 15. bis zur 30. Schicht eine Kühlwirkungssteigerung,
welche sich von dort an mit konstantem Offset zur Aluplattenvorkühlung verhält. Daraus ist eine Wirkungsabnahme
der Substratplattenkühlung mit zunehmender Schichthöhe ersichtlich. Die lokale Wärmeabfuhr bzw. -
zufuhr zeigt die Möglichkeit auf, den Plateau-Wert nachhaltig zu manipulieren. Bei der Kühlung mit 200 W
kann bei einer idealen Betrachtung eine Herabsetzung der Zwischenlagentemperatur um ca. 100°C erfolgen.
Konträr dazu wird mit der lokalen Erwärmung ein Anstieg des Plateau-Wertes um ca. 20°C erzielt.
900
800
700
600
10°C Substratplatte
20°C Substratplatte (Referenzversuch)
150°C Substratplatte
300°C Substratplatte
500°C Substratplatte
800°C Substratplatte
Lokale Kühlung 200 W (20 mm Nachlauf)
Lokale Erwärmung 200 W (20 mm Nachlauf)
150°C Substratplatte (mit Aluschweißtisch)
300°C Substratplatte (mit Aluschweißtisch)
10°C Aluschweißtisch und 20°C Substratplatte
10°C Aluschweißtisch gekühlt bei 10°C Umgebungst.
Zwischenlagentemperatur in °C
540
500
400
300
200
100
0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100
Prozesszeit in s
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Abgelegte Schichten
Abbildung 7. Zeitabhängiger Verlauf der Zwischenlagentemperaturen bei verschiedenen Temperierungsmethoden
Ergänzend zu den numerischen Untersuchungen mit dem Fokus auf die Zwischenlagentemperaturen liefern
die ermittelten Abkühlraten essenzielle Erkenntnisse hinsichtlich des Einflusses verschiedener Substratplattentemperierungsstrategien
auf die WAAM-Bauteilfertigung (vgl. Abbildung 8). Identisch zu den oben gezeigten
Temperaturverläufen pendeln sich auch die Abkühlraten mit zunehmender Schichtanzahl auf einen nahezu
gleichbleibenden Wertebereich ein (ca. 15 K/s ± 5 K/s). Beginnt man zunächst mit dem Vergleich des Referenzversuchs
und der 10°C Substratplattenvorkühlung, ist erneut kein signifikanter Effekt festzustellen. Durch
eine Vorwärmung kann eine signifikante Verringerung der Abkühlraten innerhalb der ersten 30 Schichten erfolgen.
Nach fünf Schichten liegen bei einer 150°C Vortemperierung um ca. 50 K/s niedrigere Abkühlraten vor
als bei dem Referenzgraphen. Bei einer Anfangstemperatur von 300°C und 500°C wirkt sich der Vorwärmeffekt
an identischer Stelle jeweils um eine Reduzierung von deutlich über 50 K/s aus. Bei einer idealisiert betrachteten
Vorwärmung von 800°C wird die Plateau-Abkühlrate in den ersten Schichten unterschritten. Folglich
DVS 394 7

liegt bei identischen Simulationsbedingungen eine Temperatur < 800°C vor, womit das Erreichen einer konstanten
Abkühlrate möglich ist, was einer homogenen Prozessführung dienlich wäre. Unter Verwendung eines
Aluschweißtisches ist festzustellen, dass die Abkühlraten bis zur ca. 40. Schicht signifikant zur Referenz erhöht
sind. Vergleicht man den Effekt der 150°C und 300°C Vorwärmung mit der auf 10°C gekühlten Aluminiumplatte
und reduzierter Umgebungstemperatur, ist zu erkennen, dass die Vortemperierung lediglich in den ersten fünf
Schichten eine merkliche Verminderung aufweist. Zudem variieren die Abkühlraten von permanent- zu vorgekühltem
Schweißtisch in einem vernachlässigbaren Bereich. Mittels der lokalen Temperierungen ist erneut
eine nachhaltige Manipulation des Plateau-Wertes zu beobachten. Die lokale Kühlung zeigt zur dauergekühlten
Aluplatte eine deutlich erhöhte Abkühlrate bis zur ca. 25. Schicht. Von dort an herrscht ein konstanter
Offset von fast 20 K/s. Die lokale Erwärmung führt zu einer Verdoppelung des Plateau-Wertes.
600
Abkühlrate in K/s
500
400
300
200
10°C Substratplatte
20°C Substratplatte (Referenzversuch)
150°C Substratplatte
300°C Substratplatte
500°C Substratplatte
800°C Substratplatte
Lokale Kühlung 200 W (20 mm Nachlauf)
Lokale Erwärmung 200 W (20 mm Nachlauf)
150°C Substratplatte (mit Aluschweißtisch)
300°C Substratplatte (mit Aluschweißtisch)
10°C Aluschweißtisch und 20°C Substratplatte
10°C Aluschweißtisch gekühlt bei 10°C Umgebungst.
100
20
0
0 300 600 900 1200 1500 1800 2100
Prozesszeit in s
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Abbildung 8. Zeitabhängiger Verlauf der Abkühlraten bei verschiedenen Temperierungsmethoden
6 Diskussion
Abgelegte Schichten
Die angestellten numerischen Untersuchungen liefern erste Erkenntnisse und Tendenzen hinsichtlich des Einflusses
der konzipierten Substratplattentemperierung sowie lokaler Heiz- und Kühlstrategien. Allerdings sind
die Resultate als erste Näherungs- und Abschätzungsgrundlage anzusehen und nicht bedingungslos in Realbedingungen
übertragbar. Aus diesem Grund gibt es auch einige Diskussionspunkte zu den durchgeführten
Simulationen, welche keineswegs vernachlässigt werden können.
Zuerst ist auf die Vergleichbarkeit des Simulationsmodells mit den realen Gegebenheiten zu verweisen. Vorrangig
sind hier die idealisierten Vorwärm-Betrachtungen zu nennen, welche isoliert durch die Umgebungsluft
erfolgten. Diese beinhalten bewusst keine Modellierung einer vordefinierten Grundplatte, da hierbei die Anforderungen
erst aus den Simulationen abgeleitet werden. Somit dient der Einsatz von Aluminium beispielsweise
zur deutlichen Verbesserung der Kühlwirkung, wohingegen für eine benötigte Vorwärmung ein isolierendes
Material bzw. ein schlechter Wärmeleiter in Betracht gezogen werden sollte. Möchte man beides in einem
Prozess vereinen, ist ein Kompromiss zu treffen. Weiter wurden vereinfacht homogene Substratplattentemperaturen
angenommen. Wie signifikant eine mögliche Inhomogenität von Induktor-basierter Vorwärmung oder
wendelförmig angeordneter Wasserkühlung ist, gilt es in Folgeuntersuchungen festzustellen. Gleiches gilt für
den möglichen Einfluss der vorerst vernachlässigten Spannvorrichtungen. Zudem ist auf die Limitation der
Resultate auf die gegebenen Schweißparameter sowie die definierte Bauteilgeometrie zu verweisen. Eine
allgemeingültige Übertragbarkeit der Resultate ist ohne weitere Untersuchungen nicht gegeben.
Außerdem gilt es, die Modellierungsmethode hinsichtlich des Schmelz- und Erstarrungsprozesses als kritisch
anzusehen. Da im vorliegenden Fall die geometrischen Bauteildaten in der Simulation vorgegeben wurden,
kann keine Aussage zu den resultierenden Abweichungen in der Schweißnaht- bzw. Schichtgeometrie getätigt
werden. Für diesen Fall sind experimentelle Untersuchungen oder geometrieerzeugende Simulationsansätze
zu bevorzugen. Neben der Betrachtung der Geometrien kann ein genauerer Blick auf den modellierten Wärmeeintrag
Informationen zu einer möglichen Abweichung im Schmelz- und Erstarrungsprozess liefern. Dabei
lässt sich anhand der berechneten Temperaturverläufe einschätzen, ob potenziell eine Unterkühlung oder
Überhitzung naheliegend ist, was wiederum im Prozess zu Problemen führen kann und in einer variierenden
Schichtgeometrie resultiert. Wird beispielsweise die Schmelztemperatur nicht über die gesamte vorab definierte
Schichtdicke erreicht, deutet dies auf eine vorliegende Unterkühlung hin (vgl. Abbildung 9 links). Daraus
8
DVS 394

folgt, dass die abgelegten Schichten potenziell dünner sind, dafür die vorgegebene Schichthöhe von 1 mm
aufgrund der schnellen Erstarrung merklich überschreiten. Dies kann unter anderem zu Bindefehlern an der
Nahtstelle führen (vgl. Abbildung 9 Mitte), was auf das Ablenken des Lichtbogens bei Beendigung der Trajektorie
durch den überhöhten Schichtanfang zurückzuführen ist (vgl. Abbildung 9 rechts).
Abbildung 9. Bindefehler verursacht durch Unterkühlung: Simulation (links), fehlerhafte Probe (Mitte), Ursache (rechts)
Abschließend ist aufzuführen, dass sowohl die eigenen Untersuchungen als auch die in der Literatur beschriebenen
Forschungsansätze [6, 14, 16] Vorteile und Potenziale einer regulierten Wärmezufuhr bzw. -abfuhr
während des WAAM-Fertigungsverfahrens nachweisen konnten. Während in [16] ein Prozesseingriff über die
Parametervariation erfolgt, wird in [14] und [6] das Hinzuziehen von externen Erwärmungs- bzw. Kühlungssystem
bevorzugt. Korrelierend mit den eigenen Simulationsresultaten ist festzustellen, dass eine ausschließliche
Prozesskontrolle über die Anpassung der Schweißparameter nur in einem limitierten Kontext möglich ist.
Eine Beeinflussung der Abkühlraten sowie der Zwischenlagentemperaturen in der Größenordnung, wie es mit
zusätzlichen Kühl- und Heizkomponenten möglich ist, kann mit diesem Ansatz kaum erreicht werden. Dadurch
wird erneut das Potenzial eines temperaturgeführten WAAM-Prozesses aufgezeigt, wobei die Schweißparameter
nahezu konstant bleiben und über zusätzliche Temperierungskomponenten eine Einflussnahme auf den
Fertigungsprozess erfolgt.
7 Zusammenfassung und Ausblick
Zusammengefasst konnten mit der Schweißsimulationssoftware Simufact Welding erste numerische Untersuchungen
hinsichtlich einer in den WAAM-Prozess integrierten Substratplattentemperierung durchgeführt werden.
Dabei wurden insgesamt zwölf verschiedene Fälle betrachtet, welche verschiedene lokale und globale
Heiz- und Kühlvarianten umfassen. Für die Auswertung wurden die resultierenden Zwischenlagentemperaturen
und Abkühlraten betrachtet, um Aussagen hinsichtlich des Einflusses einer Beheizung bzw. Kühlung der
Substratplatte auf den Fertigungsprozess zu treffen. Dadurch wird im Weiteren ermöglicht, erste Abschätzungen
für die Anforderungen und Dimensionierung eines Induktors sowie eines Rücklaufkühlers in Bezug auf die
angestrebten Kühl- und Heiztemperaturen im Rahmen des Anlagenaufbaus zu treffen. Die Diskussion ergänzt
einige kritische Ansatzpunkte der angestellten Simulationen, wodurch die Möglichkeiten und Limitationen der
gewählten Methodik aufgezeigt werden. Die Kernresultate der Arbeit sind wie folgt:
• Bei gleichbleibenden Bauteilgeometrien, Trajektorien und Fertigungsparametern stellt sich mit zunehmender
Prozessdauer eine nahezu konstante Zwischenlagentemperatur sowie Abkühlrate ein
(Plateau-Werte: 520°C ± 20°C und 15 K/s ± 5 K/s). Dieser Effekt sowie die Aussagen zu den Temperierungseinflüssen
sind geometrie- und parameterabhängig und nicht bedingungslos übertragbar.
• Das Vorwärmen der Substratplatte zeigt einen signifikanten Einfluss auf die resultierenden Temperaturen
und Abkühlraten im WAAM-Prozess. Je höher die Vorwärmtemperatur, desto schneller erfolgt
die Annäherung an den individuellen Plateau-Wert.
• Der Einsatz eines Aluminiumschweißtisches zeigt eine signifikante Erhöhung der Kühlwirkung, worunter
gegebenenfalls eine Vorwärmung der Substratplatte leidet.
• Generell gilt, dass eine gezielte Prozessbeeinflussung durch eine Substratplattentemperierung möglich
ist. Allerdings nimmt der Einfluss dieser Maßnahme mit zunehmender Bauhöhe stetig ab.
• Durch eine lokale und dem Brenner nachgeführte Wärmeeinwirkung kann eine nachhaltige Herabsetzung
oder Steigerung der Zwischenlagentemperaturen und Kühlraten erzielt werden.
Im Weiteren konnten im Rahmen dieser Arbeit Potenziale für Folgeuntersuchungen sowie weitere Handlungsfelder
mit Forschungsbedarf aufgezeigt werden. Primär sind dabei die vier nachfolgend aufgelisteten Themen
zu nennen.
DVS 394 9

• Die Datengrundlage für die Soll-Werte im Rahmen eines temperaturgeführten WAAM-Prozesses ausbauen.
Zudem sind Parallelen und Unterscheidungen zu weiteren Materialien auszumachen.
• Einzelne Validierungsversuche zu WAAM-Prozessen mit integrierter Substratplattentemperierung
durchführen.
• Weitere Untersuchungen zu einer nachhaltigen Beeinflussung der Prozesstemperaturen und Abkühlraten
mittels lokaler Wärmeeinwirkungsmethoden realisieren.
• Numerische Untersuchungen weiter ausbauen, um beispielsweise resultierende Phasenanteile, Härtewerte
sowie Verzug zuverlässig vorhersagen zu können.
Danksagung
Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Kilmaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses
des Deutschen Bundestages gefördert. Neben dem Dank für die Projektförderung ist auch an die Mitwirkenden
der projektbegleitenden Firmen Heidenbluth GmbH sowie Satron Steuerungstechnik GmbH ein großes
Dankeschön für ihre erbrachten Leistungen und die Unterstützung auszusprechen.
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10
DVS 394

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192.
DVS 394 11

Untersuchung des roboterunterstützten Wire Arc Additive Manufacturing
auf crashrelevanten Aluminium-Druckgussbauteilen
E. Bethge 1 , S. Jüttner 1
1
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
1 Einleitung
Das übergeordnete Ziel dieses Projekts besteht in der Weiterentwicklung und Qualifizierung einer innovativen
Technologie für das additiv generative MSG-Schweißen, insbesondere im Bereich des WAAM (Wire Arc Additive
Manufacturing) bzw. DED-Arc (Direct Energy Deposition) Verfahrens, auf Aluminium-Druckgussbauteilen.
Eine herausragende Eigenschaft dieses Ansatzes liegt in der präliminären Anwendung des WIG-Prozesses
auf das Druckgussmaterial, um eine effektive Entgasung, Vorwärmung und Entfernung der Oxidschicht
zu erreichen. Anschließend erfolgt der präzise Aufbau der neuen Geometrie in unmittelbarer Nähe zur Endkontur.
Diese Technologie zielt darauf ab, das Druckgießen zu ergänzen und ermöglicht die effiziente Herstellung
von Prototypen, Kleinserien und Bauteilvarianten, ohne aufwendige Neufertigung von Druckguss-Werkzeugen.
Ein spezifisches Teilziel dieses Vorhabens besteht darin, Konturen mit unterschiedlichen Geometrien präzise
aufzubauen, wobei eine hohe Maßhaltigkeit und minimale Oberflächenwelligkeit angestrebt werden. Dies ermöglicht
nicht nur eine optimale Materialausnutzung, sondern führt auch zu einer präzisen Endkontur. Zusätzlich
beinhaltet das Projekt die detaillierte Quantifizierung der mechanisch-technologischen Werkstoffeigenschaften,
um die Anforderungen an die Bauteilqualität zu erfüllen.
Die Komplexität des Vorhabens manifestiert sich insbesondere im Wärmeeintrag während der additiven Strukturerstellung
und der potenziellen Wärmebehandlung des hybriden Gesamtbauteils im Anschluss. Dieser Aspekt
eröffnet ein facettenreiches Feld von Eigenschaften, das entlang des gesamten technologischen Prozessablaufs
beleuchtet wird. Ohne eine gezielte Wärmebehandlung weisen die Eigenschaften im Bereich der
Wärmeeinflusszone eine hohe Heterogenität auf, wobei für jeden Punkt im aufgebauten Material individuelle
Temperaturregime gelten. Das übergeordnete Ziel besteht darin, vergleichbare Eigenschaften zwischen dem
additiv hergestellten Bauteilbereich und dem konventionell gedruckten Bereich zu erreichen.
In der folgenden Abbildung ist das Technologiekonzept aus dem Forschungsprojekt MSGenerAl dargestellt,
welches das Aluminium-Druckguss-Substrat zunächst mittels des WIG-Prozesses lokal eine Entgasung des
Wasserstoffs, einen Aufbruch der Oxidschicht sowie ein Erreichen einer bestimmten Vorwärmtemperatur bewirken
soll, damit anschließend mittels DED-Arc eine additive Struktur auf der behandelten Fläche generiert
werden kann. Die in diesem Paper vorgestellten Ergebnisse gliedern sich zum einen in der Untersuchung der
mechanisch-technologischen Eigenschaften von hybriden DED-Druckgussbauteilen und dem Anfertigen von
additiven Strukturen auf bestehenden Aluminium-Druckguss Bauteilen aus der Industrie.
MSG-Schweißen
Druckguss
Variante 1
Ausgangsbauteil
Spanen
thermisches
Konditionieren
mit WIG
Variante 2
Hinterschneidungen
Bild 1. Technologiekonzept aus dem Forschungsprojekt MSGenerAl
12
DVS 394