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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 />
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<strong>DVS</strong> 394