TY - THES

T1 - Numerische Analysen zur Schweißpfadplanung komplexer WAAM-Strukturen

AU - Prüller, Simon

N1 - gesperrt bis 18-06-2025

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Diese Masterarbeit untersucht den Einfluss der Pfadplanung beim Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) auf den Bauteilverzug, auf die entstehenden Eigenspannungen sowie auf die Geometrie der aufzubauenden Struktur, speziell für die Titanlegierung Ti-6Al-4V. WAAM ist ein additiver Fertigungsprozess, bei dem mithilfe eines Lichtbogens das Grundmaterial und der Schweißzusatz in Form eines Schweißdrahtes aufgeschmolzen werden. Auf diese Weise wird eine komplexe Struktur durch schichtweises Hinzufügen von Material aufgebaut. Dabei ist es möglich, Bauteile mit großen Dimensionen und mittlerer Komplexität wirtschaftlich herzustellen. Die sich während des Fertigungsprozesses ausbildenden komplexen Eigenspannungszustände und ein großer Bauteilverzug limitieren den Einsatz dieses Fertigungsverfahrens. Im ersten Schritt dieser Arbeit wurde eine umfangreiche Literaturrecherche hinsichtlich Schweißstruktur- und WAAM-Simulation, Pfadplanung beim WAAM-Prozess mit Optimierung in Bezug auf Eigenspannungen und Verzug sowie WAAM-Strukturen aus Ti-6Al-4V durchgeführt. Der experimentelle Teil der Arbeit umfasst die Auswahl einer geeigneten Ersatzstruktur, das Erstellen der Pfadstrategien für die gewählte WAAM-Struktur und die Durchführung der experimentellen Versuche beim Firmenpartner. Der nächste Schritt beinhaltet die numerische Modellierung des WAAM-Prozesses und den thermomechanischen Abgleich der Simulationen mit den experimentellen Versuchsergebnissen. Der Vergleich der numerischen Simulationen mit den experimentellen Versuchen zeigt, dass die Simulation den mittleren Verzug der Grundplatte um rund 18% überschätzt und die mittleren Eigenspannungen entlang der Messlinie um rund 40% unterschätzt werden. Werden die Ergebnisse der thermomechanischen Simulation mit den experimentellen Versuchen für die unterschiedlichen Pfadstrategien miteinander verglichen, können gleiche Tendenzen hinsichtlich Verzug und Eigenspannungen festgestellt werden. Aus diesem Grund eignet sich die thermomechanische Simulation zur Bewertung der Pfadplanungsstrategien. Es konnte durch die experimentellen Validierungsversuche nachgewiesen werden, dass die Pfadstrategie einen Einfluss auf die Geometrie der aufzubauenden WAAM-Struktur, die entstehenden Eigenspannungen im Bauteil und den auftretenden Bauteilverzug hat. Beim mittleren Verzug der Grundplatte konnte eine maximale Abweichung von rund 18% und bei den mittleren Eigenspannungen eine maximale Abweichung von rund 42% beim Aufbau mit unterschiedlichen Pfadstrategien festgestellt werden. Für die Optimierung des Bauteilverzugs, der Geometrie der aufzubauenden Struktur und der Wirtschaftlichkeit sowie die Minimierung der Eigenspannungen zeigt sich, dass eine alternierende Aufbaustrategie pro Schicht hinsichtlich der Schweißpfade zu bevorzugen ist.

AB - Diese Masterarbeit untersucht den Einfluss der Pfadplanung beim Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) auf den Bauteilverzug, auf die entstehenden Eigenspannungen sowie auf die Geometrie der aufzubauenden Struktur, speziell für die Titanlegierung Ti-6Al-4V. WAAM ist ein additiver Fertigungsprozess, bei dem mithilfe eines Lichtbogens das Grundmaterial und der Schweißzusatz in Form eines Schweißdrahtes aufgeschmolzen werden. Auf diese Weise wird eine komplexe Struktur durch schichtweises Hinzufügen von Material aufgebaut. Dabei ist es möglich, Bauteile mit großen Dimensionen und mittlerer Komplexität wirtschaftlich herzustellen. Die sich während des Fertigungsprozesses ausbildenden komplexen Eigenspannungszustände und ein großer Bauteilverzug limitieren den Einsatz dieses Fertigungsverfahrens. Im ersten Schritt dieser Arbeit wurde eine umfangreiche Literaturrecherche hinsichtlich Schweißstruktur- und WAAM-Simulation, Pfadplanung beim WAAM-Prozess mit Optimierung in Bezug auf Eigenspannungen und Verzug sowie WAAM-Strukturen aus Ti-6Al-4V durchgeführt. Der experimentelle Teil der Arbeit umfasst die Auswahl einer geeigneten Ersatzstruktur, das Erstellen der Pfadstrategien für die gewählte WAAM-Struktur und die Durchführung der experimentellen Versuche beim Firmenpartner. Der nächste Schritt beinhaltet die numerische Modellierung des WAAM-Prozesses und den thermomechanischen Abgleich der Simulationen mit den experimentellen Versuchsergebnissen. Der Vergleich der numerischen Simulationen mit den experimentellen Versuchen zeigt, dass die Simulation den mittleren Verzug der Grundplatte um rund 18% überschätzt und die mittleren Eigenspannungen entlang der Messlinie um rund 40% unterschätzt werden. Werden die Ergebnisse der thermomechanischen Simulation mit den experimentellen Versuchen für die unterschiedlichen Pfadstrategien miteinander verglichen, können gleiche Tendenzen hinsichtlich Verzug und Eigenspannungen festgestellt werden. Aus diesem Grund eignet sich die thermomechanische Simulation zur Bewertung der Pfadplanungsstrategien. Es konnte durch die experimentellen Validierungsversuche nachgewiesen werden, dass die Pfadstrategie einen Einfluss auf die Geometrie der aufzubauenden WAAM-Struktur, die entstehenden Eigenspannungen im Bauteil und den auftretenden Bauteilverzug hat. Beim mittleren Verzug der Grundplatte konnte eine maximale Abweichung von rund 18% und bei den mittleren Eigenspannungen eine maximale Abweichung von rund 42% beim Aufbau mit unterschiedlichen Pfadstrategien festgestellt werden. Für die Optimierung des Bauteilverzugs, der Geometrie der aufzubauenden Struktur und der Wirtschaftlichkeit sowie die Minimierung der Eigenspannungen zeigt sich, dass eine alternierende Aufbaustrategie pro Schicht hinsichtlich der Schweißpfade zu bevorzugen ist.

KW - Additive manufacturing

KW - WAAM

KW - Path planning

KW - Path strategy

KW - Residual stresses

KW - Component distortion

KW - Titanium

KW - Titanium alloy

KW - Ti-6Al-4V

KW - Welding

KW - Welding simulation

KW - numerical simulation of the WAAM process

KW - Additive Fertigung

KW - WAAM

KW - Pfadplanung

KW - Pfadstrategie

KW - Eigenspannungen

KW - Bauteilverzug

KW - Titan

KW - Titanlegierung

KW - Ti-6Al-4V

KW - Schweißen

KW - Schweißsimulation

KW - numerische Simulation des WAAM-Prozesses

M3 - Masterarbeit

ER -