TY - THES

T1 - Numerische und experimentelle Analyse eines drahtbasierten additiven Herstellprozesses

AU - Berger, Raphael

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der numerischen und experimentellen Analyse eines drahtbasierten Herstellverfahrens. Bei diesem sogenannten Wire+Arc Additive Manufacturing (WAAM) werden Metallkomponenten Schicht für Schicht über einen drahtgestützten, lichtbogenbasierten Materialübertrag aufgetragen. Neben den Vorteilen der additiven Fertigung, wie die Erzeugung komplexer Geometrien in geringer Zeit mit reduziertem Aufwand, besteht die Möglichkeit, bei dieser Technologie große Teile zu produzieren. Signifikant nachteilig wirken sich starke Verformungen und Eigenspannungsprobleme auf die erzeugten Werkstücke aus. Damit solche Probleme im Vorhinein untersucht und minimiert werden können, kommen Finite Elemente-Prozesssimulationen zum Einsatz, mit denen Minderungsstrategien untersucht werden. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden Literaturrecherchen zu den Themen Additive Fertigungsverfahren und Numerischer Simulationsprozesse durchgeführt. Der experimentelle Teil dieser Arbeit befasst sich mit einer Studie zur Wahl der Schweißparameter. Neben der Parameterfindung wird ein Versuchsmodell erstellt, mit dessen Hilfe die Simulationsergebnisse validiert und kalibriert werden können. Neben der Messung der Spannungs- und der Temperaturverläufe während des Schweißvorganges werden im Anschluss Eigenspannungsmessungen durchgeführt sowie der Verzug ermittelt. Die so gewonnenen Daten werden aufbereitet, um sie mit den Verläufen aus den Simulationsstudien zu vergleichen. Zusätzlich wird der thermische Einfluss auf die während des Schweißvorgangs entstehenden Phasen anhand von Schliffbildern diskutiert. Die Simulation stellt Einspannungszustände, Abmessungen und Materialdaten zur Verfügung, welche mit den Versuchen verglichen werden können. Die aufgezeichneten Temperaturverläufe werden für die Kalibirierung der Simulation verwendet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich der Fertigungsprozess numerisch effektiv abbilden lässt. Aus den Simulationen lassen sich Bauteileigenschaften, wie unter anderem globale Verformungen und lokale Eigenspannungszustände qualitativ abschätzen. Der Maximalverzug des Bauteil beträgt sowohl in der Simulation, als auch im Versuch bis zu 3mm. Die Temperaturwerte sind nahezu ident, wobei maximale Unterschiede von 20°C vorliegen. Die Eigenspannungsergebnisse unterscheiden sich mit 50-100MPa jedoch wesentlich voneinander. Die Position der Messpunkte und die dort wirkenden Temperaturen können im Rahmen dieser Arbeit die Ergebnisse beeinflussen. Die entwickelten Methoden dienen weiterführend als Basis zur Analyse der WAAM Herstellung noch komplexerer Geometrien.

AB - Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der numerischen und experimentellen Analyse eines drahtbasierten Herstellverfahrens. Bei diesem sogenannten Wire+Arc Additive Manufacturing (WAAM) werden Metallkomponenten Schicht für Schicht über einen drahtgestützten, lichtbogenbasierten Materialübertrag aufgetragen. Neben den Vorteilen der additiven Fertigung, wie die Erzeugung komplexer Geometrien in geringer Zeit mit reduziertem Aufwand, besteht die Möglichkeit, bei dieser Technologie große Teile zu produzieren. Signifikant nachteilig wirken sich starke Verformungen und Eigenspannungsprobleme auf die erzeugten Werkstücke aus. Damit solche Probleme im Vorhinein untersucht und minimiert werden können, kommen Finite Elemente-Prozesssimulationen zum Einsatz, mit denen Minderungsstrategien untersucht werden. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden Literaturrecherchen zu den Themen Additive Fertigungsverfahren und Numerischer Simulationsprozesse durchgeführt. Der experimentelle Teil dieser Arbeit befasst sich mit einer Studie zur Wahl der Schweißparameter. Neben der Parameterfindung wird ein Versuchsmodell erstellt, mit dessen Hilfe die Simulationsergebnisse validiert und kalibriert werden können. Neben der Messung der Spannungs- und der Temperaturverläufe während des Schweißvorganges werden im Anschluss Eigenspannungsmessungen durchgeführt sowie der Verzug ermittelt. Die so gewonnenen Daten werden aufbereitet, um sie mit den Verläufen aus den Simulationsstudien zu vergleichen. Zusätzlich wird der thermische Einfluss auf die während des Schweißvorgangs entstehenden Phasen anhand von Schliffbildern diskutiert. Die Simulation stellt Einspannungszustände, Abmessungen und Materialdaten zur Verfügung, welche mit den Versuchen verglichen werden können. Die aufgezeichneten Temperaturverläufe werden für die Kalibirierung der Simulation verwendet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich der Fertigungsprozess numerisch effektiv abbilden lässt. Aus den Simulationen lassen sich Bauteileigenschaften, wie unter anderem globale Verformungen und lokale Eigenspannungszustände qualitativ abschätzen. Der Maximalverzug des Bauteil beträgt sowohl in der Simulation, als auch im Versuch bis zu 3mm. Die Temperaturwerte sind nahezu ident, wobei maximale Unterschiede von 20°C vorliegen. Die Eigenspannungsergebnisse unterscheiden sich mit 50-100MPa jedoch wesentlich voneinander. Die Position der Messpunkte und die dort wirkenden Temperaturen können im Rahmen dieser Arbeit die Ergebnisse beeinflussen. Die entwickelten Methoden dienen weiterführend als Basis zur Analyse der WAAM Herstellung noch komplexerer Geometrien.

KW - Additive Manufacturing

KW - Wire Arc Additive Manufacturing

KW - Simulation

KW - Welding

KW - Manufacturing Engineering

KW - Additive Fertigung

KW - Wire Arc Additive Manufacturing

KW - Simulation

KW - Schweißen

KW - Fertigungstechnik

M3 - Masterarbeit

ER -