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DVS_Bericht_394LP

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2 Stand der Wissenschaft und Technik<br />

Eine große Herausforderung bei der Bauteilfertigung mittels WAAM stellen die schwer zu kontrollierenden<br />

thermischen Gegebenheiten dar [4, 5]. Diese äußeren sich in Form von variierenden Abkühlraten, wechselnden<br />

Zwischenlagentemperaturen und inkonstanten Wärmeströmen. Ein weiterer Begleiteffekt dieser Phänomene<br />

kann sein, dass Prozesspausen als Kühlphasen eingetaktet werden müssen, um eine Überhitzung während<br />

des Fertigungsvorgangs zu vermeiden [5]. Gegensätzlich dazu kann zu Beginn des Fertigungsprozesses<br />

auch ein zusätzlicher Wärmeeintrag zur Verminderung der Abkühlgeschwindigkeit erforderlich sein [6]. Prozessseitig<br />

ist der Ansatz naheliegend, den benötigten Eintrag an Streckenenergie mittels einer Variation der<br />

Schweißparameter zu kompensieren. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass durch eine resultierende veränderliche<br />

Schichtgeometrie eine unzureichende geometrische Fertigungsgenauigkeit erzielt wird. Zudem ist die<br />

Wahl der Fertigungsvariablen durch das begrenzte individuell bestehende Prozessfenster limitiert. Folglich<br />

liegt der Ansatz nahe, mit externen Heiz- und Kühlstrategien die Prozesstemperatur inklusive dem Wärmefluss<br />

im Bauteil zu kontrollieren. Im Rahmen von verschiedenen Forschungsarbeiten [4, 5, 7 – 14] wurden hierzu<br />

bereits mehrere Konzepte entwickelt, angewandt und untersucht.<br />

Betrachtet man die Funktionsprinzipien einiger in der Literatur beschriebenen aktiven Kühlmethoden, fällt auf,<br />

dass sowohl stationäre als auch dynamische Systeme verfolgt werden. Außerdem sind neben den üblich eingesetzten<br />

fluidbasierten Verfahrensweisen auch Forschungsansätze in Verbindung mit Festkörperkomponenten<br />

bekannt. Bei einer weitverbreiteten stationären Kühlstrategie ist die Wärmeabfuhr über einen durchflussgekühlten<br />

Schweißtisch bzw. eine durchflussgekühlte Platte unterhalb der Substratplatte zu nennen, wie es in<br />

den Publikationen [5, 7 – 9] gezeigt wird. Dabei ist sowohl eine Variation der geometrischen Gestaltung als<br />

auch der technischen Realisierung festzustellen. Ein vergleichbares weiteres Kühlprinzip in einer dynamischen<br />

Ausführung wird in [10] dargelegt. Dort wird das Konzept einer Kontaktkühlung mit wasserdurchflossenen<br />

Kupferblöcken beschrieben, welche während des Prozesses entsprechend der zunehmenden Bauhöhe manuell<br />

nachgeführt werden. Eine alternative kontaktbasierte Kühlung wird von Li et al. [11] vorgestellt. Darin<br />

erfolgt die Wärmeabfuhr mittels zweier thermoelektrischer Kühlkomponenten, wobei der Kontakt zwischen<br />

Kühlkörper und Bauteil jeweils durch Silikonkautschukelemente hergestellt wird. Die Nachführung der Kühleinheit<br />

bei steigender Schichtzahl wird über einen in den Versuchsaufbau integrierten Schrittmotor realisiert.<br />

Eine schematische Darstellung der erläuterten Kühlstrategien samt einer Referenzdarstellung ohne Aktivkühlung<br />

ist in der nachfolgenden Abbildung 1 visualisiert.<br />

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Kühlstrategien mit Festkörperkomponenten (a = keine aktive Kühlung;<br />

b = durchflussgekühlter Schweißtisch; c = wasserdurchflossene Kontaktkühlung; d = thermoelektrische Kühlung)<br />

Alternativ zu den Kühlungen mit Festkörperkomponenten sind auch vollständig fluidbasierte Wärmeableitungsmethoden<br />

gängige Praxis (vgl. Abbildung 2). Dabei wird primär der Einsatz einer Luft- bzw. Gaskühlung präferiert,<br />

wie es beispielsweise in den Arbeiten [12 – 14] enthalten ist. Es ist jedoch beobachten, dass ein vermeintlich<br />

simples Kühlsystem eine Vielzahl an Realisierungs- und Variationsmöglichkeiten bietet. Beispielsweise<br />

zeigen die Untersuchungen von Ma et al. [14] eine variierende Kühlwirkung bei dem Einsatz unterschiedlicher<br />

Kühlgase auf. Dabei stellte sich unter anderem heraus, dass CO2 zu einem besseren Kühleffekt<br />

als N2 oder Luft führen kann. Bei Ding et al. [12] stand hingegen der Einfluss der Gasflussrate zur Verbesserung<br />

der mechanischen Eigenschaften unter Einsatz von Ti6AL4V im Fokus. In diesem Kontext wurden jedoch<br />

mit der Änderung der Kühlzeit bessere Ergebnisse erreicht als mit einer Variation der Durchflussrate. Eine<br />

weitere Kühlmöglichkeit bietet die Verwendung eines Wasserbades. An dieser Stelle kann erneut zwischen<br />

den Ansätzen einer stationären sowie einer dynamischen Kühlsystematik differenziert werden. Während bei<br />

einem stationären System eine passive Kühlung der Substratplatte durch eine Flüssigkeit mit einer konstanten<br />

Füllmenge erfolgt, wie z. B. in [4] beschrieben, wird der Flüssigkeitsfüllstand bei der dynamischen Variante<br />

2<br />

<strong>DVS</strong> 394

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