Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Aktuell werden Prozessmonitoringsysteme in der additiven Fertigung (AM) zur Überwachung der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren aus den Bereichen der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete Umsetzungen in die Praxis.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat ein neues Projekt gestartet, dessen Ziel die Entwicklung von Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Bauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen ist. Verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, wie Thermografie, optische Tomografie, optische Emissionsspektroskopie, Wirbelstromprüfung und Laminografie werden in verschiedenen AM-Prozessen zum Einsatz gebracht und die Ergebnisse fusioniert. Die evaluierten Ergebnisse werden mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik verglichen. Ziel ist eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion.
Hier wird das Projekt als Ganzes vorgestellt und der Fokus auf verschiedene Methoden der Temperaturmessung mit Hilfe der Thermografie gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und erste experimentelle Ergebnisse werden präsentiert.
Der vorgestellte Modellierungsprozess dient zur Abschätzung einer geeigneten äquivalenten Wärmequelle und Berechnung des thermischen Verhaltens beim Laserstrahlschweißen. Die Methode Kombiniert die Vorteile von gägngigen Simulationsverfahren und reduziert die berücksichtigte Anzahl an physikalischen Aspekten und Kalibrierungsparameter. Durch die modellierten physikalischen Phänomene konnten die Informationen über die Strömung im Schmelzbad und dessen Einfluss auf die resultierende lokale Temperaturverteilung und folglich auf das transiente Temperaturfeld gewonnen werden. Dadurch wurde die Simulatioszeit(inkl. Kalibrierungsaufwand) auf weniger als einen Tag Rechenzeit verringert.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Die Entstehung von Erstarrungsrissen stellt ein in der Schweißtechnik lange bekanntes Problem dar. Diese prozessseitige Herausforderung ist selbst nach dem heutigen Wissenstand schwer zu beherrschen und gefährdet die Sicherheit der gefügten Bauteile. Dieses Problem erweist sich als besonders schwierig beim einlagigen Hochleistungslaserstrahlschweißen von Metallteilen hoher Blechstärke, welche eine essentielle Rolle in vielerlei industriellen Anwendungen spielen.
Gegenstand des hier bearbeiteten Forschungsprojekts war die numerische Untersuchung der Entstehungsmechanismen des Mittelrippendefekts beim Laserstrahlschweißen niedriglegierter Stähle. Mittels mehrerer gekoppelter Simulationen, für welche sowohl kommerziellen Softwares, wie COMSOL Multiphysics und ANSYS, als auch in-house entwickelte Programme eingesetzt worden sind, wurden die am stärksten ausgeprägten Mechanismen der Erstarrungsrissbildung und deren Zusammenspiel aufgeklärt. Begleitend zur Simulation wurden mehrere experimentelle Untersuchungen für den niedriglegierten Baustahl S355 an den Blechdicken 12 mm und 15 mm zu deren Validierung durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulation des Kristallwachstums, der Diffusion und der Makroseigerung von Schwefel zeigen, dass die Risse für bestimmte Werkstoffe mit einer hohen Konzentration an Verunreinigungen
hauptsächlich metallurgisch bedingt entstehen können. Allerdings zeigte die Untersuchung des Einflusses der Ausbauchung (Bulging) im Mittenbereich der Schweißnaht auf das transiente Temperaturfeld und die transienten Transversalspannungen im risskritischen Bereich auch, dass die Rissbildung nicht nur metallurgisch bedingt und insbesondere auch für aus metallurgischer Sicht eigentlich rissunkritische Materialien auftreten kann.
Der Bulging-Bereich hat sich in der Untersuchung als besonders kritisch in allen Teilen der Simulationskette gezeigt. Die Einflüsse dieser geometrischen Besonderheit konnten bei allen physikalischen Teilaspekten der Problematik als heißrissinduzierend identifiziert werden. Von besonderer Bedeutung wird an dieser Stelle das erkannte Zusammenspiel dieser Einflüsse hervorgehoben. Bisher wurde die Bildung der Erstarrungsrisse hauptsächlich durch einen einzelnen physikalischen Aspekt, wie z.B. rein metallurgisch oder rein thermomechanisch bedingt, isoliert betrachtet. Die gewonnen Erkenntnisse über die Einflüsse des Bulgings auf die unterschiedlichen Teilaspekte zeigen deutlich, dass alle Entstehungsmechanismen auch die Schmelzbadgeometrie als Ursprung haben. Von dieser hängen die transienten Temperatur- und Spannungsfelder, die Kristallwachsrichtung, die Erstarrungsgeschwindigkeit und die Konzentration von Verunreinigungen, welche zur Entstehung von niedrigschmelzenden Phasen führt, ab.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sind vielfach in referierten Zeitschriften und auf Fachtagungen veröffentlicht worden. Hervorzuheben dabei ist der „Best Presentation Award“ auf der LANE Conference 2018 in Fürth, wodurch die Thematik einem breiten Publikum bekannt gemacht werden konnte.
Gut kombiniert: Laser-Plasma-Auftragschweißen
Für den Schutz vor starkem abrasiven Verschleiß (Panzern) oder vor korrosiven Medien (Plattieren) sowie für das Auftragen einer Pufferlage können das Laser-Pulver-Auftragschweißen oder das Plasma-Pulver-Auftragschweißen zum Einsatz kommen. Während das Laser-Pulver-Auftragschweißen eine geringe thermische Belastung verspricht, ermöglicht das Plasma-Pulver-Auftragschweißen hohe Auftragraten. Wissenschaftler des Fraunhofer IPK erarbeiten neuartige Verfahrenskombinationen und Düsenkonzepte, die die jeweiligen Vorteile dieser bestehenden Verfahren vereinen und somit eine hohe Qualität und Effizienz garantieren. So kann beispielsweise die punktgenaue Energie der Laserstrahlung den Plasmalichtbogen stabilisieren und den Wärmeeintrag in das Bauteil besser kontrollieren.
Das Plasma-Pulver-Auftragschweißen ist ein Verfahren, dass hohe Auftragraten ermöglicht, jedoch auch eine erhöhte thermische Belastung des Bauteiles verursacht. Laser-Pulver-Auftragschweißen hingegen erreicht eine hohe Präzision und eine geringe Aufmischung, erfordert jedoch ein kostspieliges Hochleistungslasersystem und erreicht im Vergleich nur geringe Auftragraten, was zu hohen Verarbeitungskosten führt. Eine Kopplung von Laser- und Lichtbogenenergie in einer gemeinsamen Prozesszone zielt darauf ab, die jeweiligen Vorteile beider Technologien zu nutzen. Dies betrifft insbesondere die Effizienz der Wärmeausnutzung und der Nutzung des Zusatzwerkstoffs.
Es wird ein Plasma-Laser-Hybrid-Prozess als Highspeed-Plasma-Laser-Cladding-Technologie (HPLC) für Beschichtungs- sowie Instandsetzungszwecke vorgestellt. Gezeigt werden Ergebnisse mit Prozessgeschwindigkeiten von 10 m/min bei Laserleistungen von 2 kW, dabei können Flächenraten von mehr als 1 m2/h erreicht werden. Effiziente Beschichtungen von großen Flächen, beispielsweise auf rotationssymmetrischen Bauteilen stellen ein relevantes Anwendungsfeld für diesen Technologieansatz dar. Die Nickelbasislegierung Inconel 625 wird als Korrosionsschutzwerkstoff eingesetzt. Im Rahmen der Verfahrensprüfung werden die hergestellten Beschichtungen einer EDX Messung unterzogen.
Prozesscharakteristische Kenngrößen wie z.B. die Auftragrate werden vorgestellt und vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Kennzahlen diskutiert. Zusätzlich werden die Aufmischung, Spurgeometrie und Wärmeeinflusszone der Spuren und Schichten ausgewertet. Im Vergleich zum Laser-Pulver-Auftragschweißen werden Spuren bei hohen Prozessgeschwindigkeiten mit einer hohen Auftragrate erzeugt.
Das Plasma-Pulver-Auftragschweißen ist ein Verfahren, dass hohe Auftragraten ermöglicht, jedoch auch eine erhöhte thermische Belastung des Bauteiles verursacht. Laser-Pulver- Auftragschweißen hingegen erreicht eine hohe Präzision und eine geringe Aufmischung, erfordert jedoch ein kostspieliges Hochleistungslasersystem und erreicht im Vergleich nur geringe Auftragraten, was zu hohen Verarbeitungskosten führt. Eine Kopplung von Laser- und Lichtbogenenergie in einer gemeinsamen Prozesszone zielt darauf ab, die jeweiligen Vorteile beider Technologien zu nutzen. Dies betrifft insbesondere die Effizienz der Wärmeausnutzung und der Nutzung des Zusatzwerkstoffs.
Es wird ein Plasma-Laser-Hybrid-Prozess als Highspeed-Plasma-Laser-Cladding-Technologie (HPLC) für Beschichtungs- sowie Instandsetzungszwecke vorgestellt. Gezeigt werden Ergebnisse mit Prozessgeschwindigkeiten von 10 m/min bei Laserleistungen von 2 kW, dabei können Flächenraten von mehr als 1 m2/h erreicht werden. Effiziente Beschichtungen von großen Flächen, beispielsweise auf rotationssymmetrischen Bauteilen stellen ein relevantes Anwendungsfeld für diesen Technologieansatz dar. Die Nickelbasislegierung Inconel 625 wird als Korrosionsschutzwerkstoff eingesetzt. Im Rahmen der Verfahrensprüfung werden die hergestellten Beschichtungen einer EDX Messung unterzogen.
Prozesscharakteristische Kenngrößen wie z.B. die Auftragrate werden vorgestellt und vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Kennzahlen diskutiert. Zusätzlich werden die Aufmischung, Spurgeometrie und Wärmeeinflusszone der Spuren und Schichten ausgewertet. Im Vergleich zum Laser-Pulver-Auftragschweißen werden Spuren bei hohen Prozessgeschwindigkeiten mit einer hohen Auftragrate erzeugt.
Das DED Auftragschweißen ist ein additives Fertigungsverfahren für Metalle, bei dem das Material schichtweise auf ein Substrat aufgetragen wird. Die schnellen Temperaturzyklen rufen Spannungsgradienten im Bauteil hervor. Der schichtweise Aufbau der Bauteile verursacht eine anisotrope Mikrostruktur. Mittels nachgelagerter Wärmebehandlung können diese Effekte verringert werden. Im anschließenden Schritt der Prozesskette wird das additiv hergestellte Bauteil mittels Drahterodieren von dem Substrat abgetrennt.
In diesem Beitrag wird eine thermo-mechanische Simulation der gesamten Prozesskette vorgestellt, welche den additiven Aufbau, Wärmebehandlung und das Abtrennen vom Substrat beinhaltet. Anstelle der in der Literatur üblichen schichtweisen Modellierungsstrategie für die DED Simulation wird das gesamte Bauteil in einem Stück vernetzt und der vollständig transiente, schichtweise Materialauftrag über Elementgruppen realisiert. Im Gegensatz zu früheren Simulationen muss der nichtlineare Kontakt zwischen den Schichten nicht berücksichtigt werden, was die Rechenzeiten deutlich verkürzt.
Das Modell wurde validiert mittels Abgleiches des Verzugs aus Simulation und Experiment.
Die Proben, bestehend aus DIN 1.4404 (AISI 316L), wurden nach jedem Prozessschritt 3D gescannt um den Verzug zu quantifizieren. Zusätzlich wurden Querschnitte und Härtetests nach Vickers von unterschiedlich behandelten Proben durchgeführt, um den Effekt der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die Härte des Bauteils zu untersuchen.