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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 <strong>DVS</strong> 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. <strong>DVS</strong> 394 5
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