Fri, 06 November, 2020
Im Rahmen des Grundlagenforschungsprogramms (Core Research Programme, CRP) wurde für die TWI-Mitglieder wurde ein neues Projekt gestartet, in dem das Fachwissen von drei verschiedenen Technologiegruppen am TWI zusammengeführt wird, um verschiedene integrierte Strategien zur additiven Fertigung zu untersuchen, von der kundenspezifischen Anpassung des Grundmaterials bis hin zu Online-Überwachungstechniken, um Konsistenz und Teilequalität zu gewährleisten.
Industrieller Bedarf
Mit ihren hohen Abscheidungsraten und dem großen Bauraum hat die drahtbasierte additive Fertigung mittels Lichtbogen (Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM), auch bekannt als Lichtbogen-basierte gerichtete Energieabscheidung (Directed Energy Deposition with Arc, DED-arc) großes Interesse in verschiedenen Industriezweigen gewonnen. Die Verwendung von relativ einfachen Lichtbogenschweißgeräten und industriellen Handhabungsgeräten ermöglicht eine leichte Aufnahme von WAAM für die Herstellung metallischer Teile mit geringer bis mittlerer Komplexität. Der Materialabfall wird durch die endkonturnahe Fertigung reduziert, was insbesondere bei teuren Legierungen zu Kosteneinsparungen gegenüber dem Fräsen aus dem Vollen führen kann. Die Abscheidung mittels WAAM hat sich für verschiedene Stahl-, Aluminium-, Titan- und Nickellegierungen als praktikabel erwiesen und kann, falls nötig, mit maßgeschneiderten Grundmaterial-Zusammensetzungen verwendet werden.
Aufgrund der komplexen thermischen Eigenschaften von WAAM-Produkten kann die Verwendung von konventionellem Schweißdraht und festen Prozesseingaben manchmal zu ungünstigen Abscheidungsbedingungen führen, was zu Inkonsistenzen in der abgeschiedenen Raupengeometrie und Mikrostruktur führt. Diese Inkonsistenzen können zu einer übermäßigen Streuung der mechanischen Eigenschaften führen, was die Bauteilqualifikation behindert und den Einsatz von WAAM-Produkten in sicherheitskritischen Anwendungen einschränkt.
Daher ist es erforderlich, die Robustheit des WAAM-Prozesses durch die Entwicklung eines grundlegenden Verständnisses der Prozessfaktoren, die die Abscheidungsbedingungen beeinflussen, zu verbessern und dieses Wissen zu nutzen, um Regelsysteme zu schaffen, die eine konsistente Geometrie der abgeschiedenen Raupe gewährleisten. Darüber hinaus können Inkonsistenzen in der Mikrostruktur auch durch die Zusammensetzung beeinflusst werden, und konventionelle Schweißzusätze sind möglicherweise nicht optimal für die Art der thermischen Geschichte einer WAAM-Abscheidung. Außerdem soll die Verwendung von Einsatzmaterial mit maßgeschneiderter Zusammensetzung untersucht werden, um die mikrostrukturelle Inhomogenität in WAAM-Abscheidungen zu reduzieren.
Konzept
Dieses multidisziplinäre CRP-Projekt wird die Fachkenntnisse des TWI in den Bereichen Mikrostrukturanalyse, zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) und Lichtbogenschweißtechnik kombinieren, um einen Ansatz mit konstantem Output für die WAAM-Abscheidung zu entwickeln. Dazu gehört die Identifizierung kritischer Beschichtungsparameter, die die Schweißwulstgeometrie und Mikrostruktur für eine Vielzahl von Bauteil-Geometrien steuern. Parallel dazu werden konventionelle ZfP-Techniken angepasst, um die WAAM-Beschichtung zu überwachen, aus der Schlüsselinformationen für die Rückkopplungssteuerung extrahiert werden können. Darüber hinaus wird dieses Projekt auch auf einen Katalog von über 1500 Proben von Multi-Pass-Stumpfschweißungen mit unterschiedlichen Gehalten von 16 verschiedenen Legierungselementen zurückgreifen, um die Beziehungen zwischen Legierungselementen und aufgewärmten Mikrostrukturen zu identifizieren. Dies wird genutzt, um eine verbesserte Zusammensetzung von Verbrauchsmaterialien für WAAM-Anwendungen zu entwickeln. Schließlich wird das verbesserte Verbrauchsmaterial unter Verwendung des entwickelten Konstantausgabe-Ansatzes abgeschieden, um das Potenzial für qualitativ hochwertige WAAM-Bauten zu demonstrieren.
Hauptziele
- Identifizierung kritischer Auftragsparameter und Kontrollmethoden für WAAM, um konsistente Wulstquerschnitte für verschiedene Geometrien zu gewährleisten.
- Anwendung bestehender ZfP-Techniken zur Überwachung des WAAM-Prozesses und zur Identifizierung von Schlüsselinformationen, die für die Rückkopplungssteuerung extrahiert werden können.
- Identifizierung von Beziehungen zwischen Schweißmetall-Legierungszusätzen und wiedererwärmter Mikrostruktur, um verbesserte Schweißzusatzzusammensetzungen für WAAM-Anwendungen zu entwickeln.
Angestrebte Projektergebnisse
- Umfassende Datensätze von WAAM-Prozessparametern, thermischer Geschichte, abgeschiedener Sickengeometrie und Mikrostrukturen für verschiedene Bauteil-Geometrien, die in zukünftige Prozess- und Mikrostrukturmodellierungsbemühungen einfließen werden.
- Validierte Methoden zur Anwendung bestehender Überwachungstechniken und Analysewerkzeuge für die WAAM Abscheidung.
- Klares Verständnis des Einflusses von Legierungselementzugaben auf wiedererwärmte Mikrostrukturen und Identifizierung von Verbrauchsmaterialzusammensetzungen, die für die WAAM-Abscheidung optimiert sind.