Wire Arc Additive Manufacturing
Mit dem additiven Auftragsschweißen (engl. Wire arc additive manufacturing - WAAM) können großskalige Komponenten gefertigt werden. Zum Beispiel kann mit einem Lichtbogen Draht schichtweise aufgetragen werden, um komplexe Geometrien zu fertigen. Dadurch kommt es jedoch zu erheblichen Schweißeigenspannungen. Das ISEMP entickelt hierfür Prozesssimulationen, um entsprechende Verzüge zu berechnen und vor dem Druck geometrisch zu kompensieren.
Verzugsvorhersage für 5-Achs-Prozesse
Inherent Strain Simulation
Schichtweise werden die Schweißbahnen aktiviert. Dabei wird der namensgebende Tensor inhärenter Dehnungen (engl. Inherent Strain) eingefügt und die resultierenden Verzüge berechnet. Die Inherent Strian Simulation erlaubt die Berechnung von Bauteilverzügen in wenigen Stunden bis hin zu einigen Minuten.
Lokalisierung von Bauteilverzügen im Preprocessing
Eigenspannungen und Vezrüge treten immer in Schweißprozessen auf. Die wichtige Frage ist dabei, wo sie sich befinden und ob sie kritisch sind. Die Inherent Strain Simulation erlaubt es die verzugskritischen Stellen vor dem Bauprozess zu identifizieren und damit Ausschuss in der Produktion zu verhindern.
Maschinenkoordinaten im 5-Achs-Prozess
Die Herausforderung in der Simulation des WAAM-Prozesses gegenüber pulverbasierten additiven Fertigungsprozessen sind die komplexeren Trajektorien der Schweißbahnen. Während in Pulverprozessen auch die komplexesten Trajektorien immer noch zweidimensionale Objekte sind, können in WAAM deutlich komplexere Trajektorien entstehen. Das entwickelte Simulationsmodell ist in der Lage diese Komplexität vollautomatisch zu berücksichtigen.
Netzgenierung für die finite Elemente Simulation
Die Methode der Finiten Elemente ist das numerische Tool zum Lösen der mechanischen Gleichungen. Dafür werden Netze aus finiten Elementen benötigt, welche die Geometrie des Körpers abbilden. Der 5-Achs-Prozess erlaubt komplexe Schweißbahnen, die einzeln hinzugefügt werden können. Eine "Schicht" kann daher jegliche Geometrie im dreidimensionellen Raum annehmen. Der Algorithmus zum erstellen der Netze nutzt dabei die Maschinenkoordinaten, um so die Komplexität der Schweißbahnen im 5-Achs-Prozess zu berücksichtigen.
Die digitale Prozesskette
Einfache Kalibrierung des Simulationsmodells
Die Simulationsparameter müssen für jeden Aufbaustrategie, Material und Maschine kalibriert werden. Dazu wird ein offenes Kalibrierungstool bereitgestellt. Für beliebige Punkte auf einer Probe mit bekanntem Verzug können diese der Kalibrierung übermittelt werden. Das Tool passt die Simulationsparameter an, bis Verzug aus Experiment und Simulation übereinstimmen.
Quantitative Vorhersagen des Bauteilverzugs auch bei Aufheizung
Die Genauigkeit der Verzugsvorhersagen ließ sich durch mehrere Experimente bestätigen. Dabei können auch thermische Effekte wie Aufheizungen oder leichte Veränderungen des Energieeinetrags auch berücksichtigt werden, indem die Inherent Strain Simulation mit einer thermischen Simulation gekoppelt wird.
Das Abtrennen simulieren
Eigenspannungen entstehen in jedem WAAM-Prozess. Wird das Bauteil vom Substrat gelöst bzw. das Substrat von der Bauplattform entfernt, können Eigenspannungen sich relaxieren und es bilden sich Verzüge aus. Auf Basis der Eigenspannungen aus der Inherent Strain Simulation kann der Abtrennprozess simuliert werden.
Manipulation des Designs
Kompensieren von prozessbedingten Verzügen
Die berechneten Verzüge können auf STL-Dateien übertragen werden. Invertiert man die Verzüge, können dadurch vorverformte Geometrien erzeugt werden. Werden diese mit dem selben Fertigungsprozess aufgebaut, dann gleichen sich die prozessbedingten Verzüge und die invertierten Verzüge aus. Die gefertigten Körper weisen dadurch ein wesentlich genaueres Endmaß auf,
Thermomechanische Prozessmodelle
Verzugsberechnung mit Modellierung der Wärmequelle
Die Goldak-Wärmequelle wird genutzt um den lokalen Energieeintrag zu modelieren. Dadurch können die Temperaturfelder in jedem Zeitschritt genausten untersucht werden. Die thermische Simulation ist über die thermische Ausdehnungen des Materials mit der Verzugsvorhersage gekoppelt. Dadurch kann das Verzugsverhalten in Abhängigkeit der Zeit berechnet und analysiert werden.
Semi-Analytische Berechnung der Schmelzbadgeometrie
Durch eine analytische Berechnung können die Geometrien des Schmelzbads und Form der Schweißlage berechnet werden. Unterschiedliche Prozessparameter können berücksichtigt werden, um Vorhersagen zu treffen und Prozessfenster genauer abzuschätzen.