Thermomechanische WAM-Bauteiloptimierung mithilfe numerischer Schweißprozesssimulationen

Wire-based Additive Manufacturing (WAM) nutzt konventionelle Schweißtechnik inklusive einer Führungsmaschine zum dreidimensionalen Aufbau von metallischen Bauteilen. Das Verfahren besitzt großes Zukunftspotential, da es in einigen Anwendungsfällen technische oder finanzielle Vorteile bietet. Eine der größten Herausforderungen sind die beim Schweißprozess entstehenden Eigenspannungen und Verformungen. Diese können durch verschiedenste Methoden aus der Literatur verringert werden. Thermomechanische Schweißprozesssimulation ermöglicht den Vergleich verschiedener Methoden ohne hohen experimentellen Aufwand. Im Zuge der Arbeit wird das Aufschweißen von vier Einzellagen auf eine einseitig geklemmte Ti-6Al-4V Substratplatte mit verschiedenen Ansätzen zur Reduktion von Spannung und Verformung simuliert. Alle Simulationen werden mit dem Schweißprozesssimulationsprogramm Simufact Welding durchgeführt. Es werden unterschiedliche Substratplattendicken, Verfahrgeschwindigkeiten, Pausenzeiten, Aufbaustrategien und das Vorwärmen mit einem Schweißbrenner simuliert und mit einem Basismodell verglichen. Dabei wird festgestellt, dass entweder Eigenspannung oder Verformung sinken, aber nie beide Werte gleichzeitig. Eine dickere Substratplatte reduziert bei geringfügig steigender maximaler Spannung die maximale Verformung mit 49,2 % am stärksten. Das Vorwärmen mit Schweißbrenner verringert die maximale Spannung um 4,5 % und damit mit Abstand am stärksten, sorgt aber für die höchste Verformung. Somit stellt die Methode der Erhöhung der Substratplattendicke die zu bevorzugende Variante der Spannungs- und Verformungsreduktion dar.