TY - THES

T1 - Implementierung ausgewählter Kriechmodelle in die numerische Simulation des WAAM-Prozesses

AU - Röcklinger, Andreas

N1 - gesperrt bis 22-09-2025

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Die vorliegende Masterarbeit untersucht den Einfluss des Kriechens im Zuge der Prozesssimulation des Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM). Es handelt sich dabei um ein generatives Fertigungsverfahren, das ein drahtförmiges Ausgangsmaterial in Kombination mit einem Lichtbogenschweißprozess verwendet, um durch schichtweisen Materialauftrag Bauteile größerer Dimension und mittlerer Komplexität wirtschaftlich herzustellen. Unter Kriechen versteht man ein viskoplastisches Materialverhalten, das bei bestimmten Werkstoffen, wie der in dieser Arbeit untersuchten Titanlegierung Ti6Al4V, vor allem bei erhöhten Temperaturen und Spannungsniveaus größer Null, auftreten kann. Durch den thermo-mechanischen WAAM-Prozess können wesentliche Eigenspannungs- und Verzugszustände entstehen, welche durch ein mögliches Kriechen beeinflusst werden können, weshalb dieser Effekt im Rahmen dieser Studie im Fokus der Untersuchung steht. Der Beginn der Arbeit beschäftigt sich mit einer Literaturrecherche zum WAAM-Prozess und dessen numerische Simulation sowie zum Kriechverhalten von Ti6Al4V. Ein experimenteller Teil umfasst Kriechversuche zur Untersuchung des Kurzzeitkriechverhaltens des Werkstoffes und zur weiteren Ableitung von ausgewählten Kriechmodellen, welche anschließend in die numerische WAAM-Prozesssimulation implementiert werden. Mit einem einfachen Simulationsmodell, bestehend aus einer dreilagigen WAAM-Struktur die auf eine Grundplatte aufgeschweißt wird, werden Simulationen unter Verwendung der erarbeiteten Kriechmodelle durchgeführt. Zusätzlich wird der Einfluss einer Erwärmung der Grundplatte während des Prozesses untersucht. Die Simulationsergebnisse werden untereinander verglichen sowie mit Messergebnissen experimenteller Untersuchungen validiert. Hierbei zeigt sich, dass bei einer numerischen Analyse ohne Verwendung eines Kriechmodells ein wesentlicher Unterschied bei einer Betrachtung des lokalen Eigenspannungszustandes der Grundplatte zwischen Simulation und Messung auftreten kann. Durch die Implementierung der Kriechmodelle wird diese Abweichung um bis zu 35% verringert und somit die Vorhersagegenauigkeit der numerischen Simulation verbessert. Generell zeigt sich, dass durch ein vorhandenes Kriechen der lokale Eigenspannungszustand in der WAAM-Struktur um bis zu 51% verringert wird, wobei kein wesentlicher Effekt auf den Verzug der Grundplatte, vorrangig bedingt durch die Verwendung einer verhältnismäßig kleinen, einfachen Modellgeometrie, evaluiert werden konnte. Als Ergebnis dieser Arbeit liegt, neben der Erkenntnis über den Einfluss des Kriechens auf den Eigenspannungs- und Verformungszustand, ein primäres Kriechmodell für Ti6Al4V vor, das in die WAAM-Prozesssimulation implementierbar ist und künftig für die numerische Analyse größerer, komplexerer WAAM-Strukturen verwendet werden kann.

AB - Die vorliegende Masterarbeit untersucht den Einfluss des Kriechens im Zuge der Prozesssimulation des Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM). Es handelt sich dabei um ein generatives Fertigungsverfahren, das ein drahtförmiges Ausgangsmaterial in Kombination mit einem Lichtbogenschweißprozess verwendet, um durch schichtweisen Materialauftrag Bauteile größerer Dimension und mittlerer Komplexität wirtschaftlich herzustellen. Unter Kriechen versteht man ein viskoplastisches Materialverhalten, das bei bestimmten Werkstoffen, wie der in dieser Arbeit untersuchten Titanlegierung Ti6Al4V, vor allem bei erhöhten Temperaturen und Spannungsniveaus größer Null, auftreten kann. Durch den thermo-mechanischen WAAM-Prozess können wesentliche Eigenspannungs- und Verzugszustände entstehen, welche durch ein mögliches Kriechen beeinflusst werden können, weshalb dieser Effekt im Rahmen dieser Studie im Fokus der Untersuchung steht. Der Beginn der Arbeit beschäftigt sich mit einer Literaturrecherche zum WAAM-Prozess und dessen numerische Simulation sowie zum Kriechverhalten von Ti6Al4V. Ein experimenteller Teil umfasst Kriechversuche zur Untersuchung des Kurzzeitkriechverhaltens des Werkstoffes und zur weiteren Ableitung von ausgewählten Kriechmodellen, welche anschließend in die numerische WAAM-Prozesssimulation implementiert werden. Mit einem einfachen Simulationsmodell, bestehend aus einer dreilagigen WAAM-Struktur die auf eine Grundplatte aufgeschweißt wird, werden Simulationen unter Verwendung der erarbeiteten Kriechmodelle durchgeführt. Zusätzlich wird der Einfluss einer Erwärmung der Grundplatte während des Prozesses untersucht. Die Simulationsergebnisse werden untereinander verglichen sowie mit Messergebnissen experimenteller Untersuchungen validiert. Hierbei zeigt sich, dass bei einer numerischen Analyse ohne Verwendung eines Kriechmodells ein wesentlicher Unterschied bei einer Betrachtung des lokalen Eigenspannungszustandes der Grundplatte zwischen Simulation und Messung auftreten kann. Durch die Implementierung der Kriechmodelle wird diese Abweichung um bis zu 35% verringert und somit die Vorhersagegenauigkeit der numerischen Simulation verbessert. Generell zeigt sich, dass durch ein vorhandenes Kriechen der lokale Eigenspannungszustand in der WAAM-Struktur um bis zu 51% verringert wird, wobei kein wesentlicher Effekt auf den Verzug der Grundplatte, vorrangig bedingt durch die Verwendung einer verhältnismäßig kleinen, einfachen Modellgeometrie, evaluiert werden konnte. Als Ergebnis dieser Arbeit liegt, neben der Erkenntnis über den Einfluss des Kriechens auf den Eigenspannungs- und Verformungszustand, ein primäres Kriechmodell für Ti6Al4V vor, das in die WAAM-Prozesssimulation implementierbar ist und künftig für die numerische Analyse größerer, komplexerer WAAM-Strukturen verwendet werden kann.

KW - WAAM

KW - Creep

KW - Process simulation

KW - Additive manufacturing

KW - WAAM

KW - Kriechen

KW - Prozesssimulation

KW - Additive Fertigung

M3 - Masterarbeit

ER -