Tool path planning for wire-arc additive manufacturing processes

Bahnplanung für additive Fertigungsverfahren mit dem Drahtlichtbogen

  • Among variants of AM technology, wire-arc additive manufacturing (WAAM) process suitably produces bulky metal parts with a medium complexity. Although WAAM shows a great potential, this process has not been fully explored, and it is therefore a worthwhile subject to further investigate. This monograph engages with tool path planning for the WAAM process and existing problems in WAAM are subsequently addressed, as following: The existing overlapping models yield an uneven surface due to the inner beads overlapping with two neighbor beads while the outers have only a one-sided overlap. New mathematical models are established to obtain optimal distances between adjacent weld beads and to make surfaces more even. Lightweight structures have high strength as compared to their weight. Producing these structures by WAAM results in imperfections because of uneven weld beads - an inevitable phenomenon when starting a new track. A new tool path strategy to produce lightweight structures is developed using contour patterns, which transformsAmong variants of AM technology, wire-arc additive manufacturing (WAAM) process suitably produces bulky metal parts with a medium complexity. Although WAAM shows a great potential, this process has not been fully explored, and it is therefore a worthwhile subject to further investigate. This monograph engages with tool path planning for the WAAM process and existing problems in WAAM are subsequently addressed, as following: The existing overlapping models yield an uneven surface due to the inner beads overlapping with two neighbor beads while the outers have only a one-sided overlap. New mathematical models are established to obtain optimal distances between adjacent weld beads and to make surfaces more even. Lightweight structures have high strength as compared to their weight. Producing these structures by WAAM results in imperfections because of uneven weld beads - an inevitable phenomenon when starting a new track. A new tool path strategy to produce lightweight structures is developed using contour patterns, which transforms any arbitrary geometry into that of a continuous path. Unfortunately, voids are formed at junctions when using contour patterns. An adaptive correction using machine learning is then developed to overcome this defect. Large overhangs and inclined features are out of reach of WAAM when operating in the x-y plane in Cartesian system. This limits the ability of the WAAM process. To overcome that, each overhang feature should be welded with a distinct direction. This approach is realized within the robot based WAAM process. Establishing the kinematics of the FANUC robot arm and the positioner helps compute the new coordinates, the angular displacements of the positioner, and the orientation of the torch. The proposed strategy is examined through the construction of an overhang part. The capabilities of the multi-axis deposition are extended by constructing curved thin-walled structures. Irregular thickness layers are deposited by controlling the travel speed, resulting in a different deposition rate. The curved thin-walled structures can be properly fabricated by combining a multi-axis deposition with non-uniform thickness layers. Bonding quality as well as geometric accuracy are also to be investigated. To ensure geometric accuracy, a compensation strategy is developed. The performance of the proposed algorithm is validated on different geometries. This monograph will conclude with a summary of this work’s main achievements and contributions as well as outlooks on future research.show moreshow less
  • Unter den Varianten der AM-Technologie eignet sich das WAAM-Verfahren (Wire-Arc Additive Manufacturing) zur Herstellung sperriger Metallteile mittlerer Komplexität. Obwohl WAAM ein großes Potenzial aufweist, ist dieses Verfahren noch nicht vollständig erforscht und daher ein lohnendes Thema für weitere Untersuchungen. Diese Monografie befasst sich mit der Werkzeugbahnplanung für das WAAM-Verfahren und geht anschließend auf die bestehenden Probleme im WAAM-Verfahren ein, wie folgt: Die bestehenden Überlappungsmodelle ergeben eine ungleichmäßige Oberfläche, da sich die inneren Sicken mit zwei benachbarten Sicken überlappen, während die äußeren nur eine einseitige Überlappung aufweisen. Es werden neue mathematische Modelle aufgestellt, um optimale Abstände zwischen benachbarten Schweißraupen zu erhalten und die Oberflächen gleichmäßiger zu gestalten. Leichte Strukturen haben eine hohe Festigkeit im Vergleich zu ihrem Gewicht. Die Herstellung dieser Strukturen mittels WAAM führt zu Unvollkommenheiten aufgrund ungleichmäßigerUnter den Varianten der AM-Technologie eignet sich das WAAM-Verfahren (Wire-Arc Additive Manufacturing) zur Herstellung sperriger Metallteile mittlerer Komplexität. Obwohl WAAM ein großes Potenzial aufweist, ist dieses Verfahren noch nicht vollständig erforscht und daher ein lohnendes Thema für weitere Untersuchungen. Diese Monografie befasst sich mit der Werkzeugbahnplanung für das WAAM-Verfahren und geht anschließend auf die bestehenden Probleme im WAAM-Verfahren ein, wie folgt: Die bestehenden Überlappungsmodelle ergeben eine ungleichmäßige Oberfläche, da sich die inneren Sicken mit zwei benachbarten Sicken überlappen, während die äußeren nur eine einseitige Überlappung aufweisen. Es werden neue mathematische Modelle aufgestellt, um optimale Abstände zwischen benachbarten Schweißraupen zu erhalten und die Oberflächen gleichmäßiger zu gestalten. Leichte Strukturen haben eine hohe Festigkeit im Vergleich zu ihrem Gewicht. Die Herstellung dieser Strukturen mittels WAAM führt zu Unvollkommenheiten aufgrund ungleichmäßiger Schweißraupen - ein unvermeidliches Phänomen beim Anfahren einer neuen Strecke. Zur Herstellung von Leichtbaustrukturen wird eine neue Werkzeugbahnstrategie entwickelt, die Konturenmuster verwendet und jede beliebige Geometrie in eine kontinuierliche Bahn umwandelt. Leider bilden sich bei der Verwendung von Konturmustern Hohlräume an den Verbindungsstellen. Um diesen Fehler zu beheben, wird eine adaptive Korrektur mit Hilfe von maschinellem Lernen entwickelt. Große Überhänge und schräge Merkmale sind für WAAM unerreichbar, wenn es in der x-y-Ebene im kartesischen System arbeitet. Dies schränkt die Möglichkeiten des WAAM-Prozesses ein. Um dies zu überwinden, sollte jedes überhängende Merkmal mit einer bestimmten Richtung geschweißt werden. Dieser Ansatz wird mit dem robotergestützten WAAM-Verfahren umgesetzt. Die Ermittlung der Kinematik des FANUC-Roboterarms und des Positionierers hilft bei der Berechnung der neuen Koordinaten, der Winkelverschiebungen des Positionierers und der Ausrichtung des Brenners. Die vorgeschlagene Strategie wird anhand der Konstruktion eines Überhangteils untersucht. Die Möglichkeiten der mehrachsigen Abscheidung werden durch die Konstruktion von gekrümmten dünnwandigen Strukturen erweitert. Unregelmäßig dicke Schichten werden durch Steuerung der Fahrgeschwindigkeit abgeschieden, was zu einer unterschiedlichen Abscheiderate führt. Die gekrümmten dünnwandigen Strukturen können durch die Kombination einer mehrachsigen Abscheidung mit ungleichmäßig dicken Schichten richtig hergestellt werden. Die Qualität der Verklebung und die geometrische Genauigkeit sollen ebenfalls untersucht werden. Um die geometrische Genauigkeit zu gewährleisten, wird eine Kompensationsstrategie entwickelt. Die Leistung des vorgeschlagenen Algorithmus wird an verschiedenen Geometrien validiert. Der letzte Teil fasst die wichtigsten Ergebnisse und Beiträge dieser Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschung.show moreshow less

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Metadaten
Author: Qui Lam NguyenORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-59827
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5982
Referee / Advisor:Prof. Dr. Markus Bambach
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2022
Date of final exam:2022/05/31
Release Date:2022/08/24
Tag:Gekrümmte dünnwandige Strukturen; Leichte Strukturen; Lichtbogenadditive Fertigung; Überlappende Modelle
Curve thin-walled structures; Lightweight structures; Multi-bead overlapping models; Wire-arc additive manufacturing
GND Keyword:Rapid Prototyping <Fertigung>; Dünne Schale; Lichtbogen; Überlappung
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Hybride Fertigung
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International
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