DVS_Bericht_394LP

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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. <strong>DVS</strong> 394 1
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