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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 <strong>DVS</strong> 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 <strong>DVS</strong> 394 7
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