Stand und Potenziale der Lichtbogentechnik für die additive Fertigung

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1 Stand und Potenziale der Lichtbogentechnik für die additive Fertigung Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann M. Sc. Yarop Ali Dipl. Ing. Karsten Günther Ilmenauer Fertigungstechnik (IFt) Fakultät Maschinenbau Seite 1 Martin Bielenin

2 Agenda I. Motivation II. Additive Fertigungsverfahren III. Stand der Technik IV. Eigene Forschungsschwerpunkte V. Zusammenfassung Seite 2

3 Motivation Die Industrie steht unter enormem Zeitdruck zur schnelleren Produktentwicklung Kostendruck zur kostengünstigeren Produktentwicklung Höchstleistungen von Produktentwicklung und Produktion Seite 3

4 Motivation Komplexität Generative Fertigungsverfahren Modellbezogen Leichtbau [Quelle: Renishaw] Vorrichtungsbau Individualisierung Produktionsbezogen Seite 4

5 Additive Fertigung im Markt Umsatz durch Herstellung und Dienstleistung bis 3 Mrd. US-Doller Bis 2020 Umsatz mit Höhe von 21 Mrd. US-Doller [Quelle: Wohlers 2014] Seite 5

6 Additive Fertigungsverfahren Metallische Werkstoff Folienförmig Drahtförmig Pulverförmig Werkstoff Pulverbett Pulverförderung Fügen und Schneiden Aufschmelzen und Auftragen Verfestigen durch Binder Sintern / Aufschmelzen des Pulvers Aufspritzen und Aufschmelzen Tech. Prinzip LOM WAAM 3DP SLS LENS EBF³ SLM Verfahren LENS EBM Seite 6

7 Warum additive Fertigung mittels Lichtbogen Für die Fertigung von Bauteilen mit großen Volumina EBF³ Electron Beam Free From Fabrication WAAM Wire Arc Additiv Manufacturing LENS Laser Engineered Net Shaping [Quelle: NASA] [Quelle: Uni Cranfield] [Quelle: RADICLE] Günstigere Anlagentechnik Einfache Handhabung Hohe Abschmelzleistung bis 5 Kg/h Vorrangig für Aluminium- und Titanwerkstoffe Geringer Materialverlaust im Vergleich zu Pulver Seite 7

8 Lichtbogenprozesse zum additiven Fertigung WIG MSG MSG-Prozess + Bewegungsfreiheit beim Aufbauen + höhere Abschmelzleistung [Quelle: MIG WELD] Seite 8

9 Stand der additiven Fertigungstechnik mittels LB WIG Werkstoffe: Titanlegierungen, Nickellegierungen sowie hochlegierter Stahl Schwerpunkte: Einfluss des Energieeintrags auf: Mechanisch-technologische Eigenschaften Metallurgische Eigenschaften Schweißproben (Ti-6Al-4V) (a)- energiereich und (b)- energiearm geschweißte Probe [Quelle: Uni Sheffield] Seite 9

10 Zugfestigkeit [Mpa] Stand der additiven Fertigungstechnik mittels LB WIG Ergebnisse Hoher Energieeintrag Inhomogenität (Richtung X und Z) (A)- energiereich geschweißte Probe (B)- energiearm geschweißte Probe Bruchdehnung [%] [Quelle: Uni Sheffield] Seite 10

11 Stand der additiven Fertigungstechnik mittels LB MSG Forschungseinrichtungen im Bereich AF mittels MSG-Prozesses University of Nottingham Southern Methodist University Korea Institute of Science and Technology Harbin Institute of Technology University of Kentucky RUAM-Projekt 2007 bis 2011 Werkstoffe: Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen sowie Baustahl Schwerpunkte: Tufts University Cranfield University Stanford University University of Wollongong Untersuchungen aller Schweißparameter zur Prozessabgrenzung Einfluss der Schweißparameter auf die mechanischen Eigenschaften und Mikrostruktur Generierung der Roboterbahn aus 3D-CAD-Datei Thermomechanische Analyse additiv generierter Bauteile Indian Institute of Technology [Quelle: Uni Cranfield] Seite 11

12 Forschung an der TU-Ilmenau Korrelation zw. Prozessparameter und Gefüge Untersuchungen zur Herstellung von Verbundstrukturen Untersuchungen zur Herstellung von Versteifungsstrukturen Seite 12

13 Forschung an der TU-Ilmenau Schwerpunkte 1: Einfluss der Schweißparameter auf: die mechanischen Eigenschaften und die Mikrostruktur die Korrosionsbeständigkeit Werkstoffe: Hochlegierte Stähle Ergebnisse: homogene Schichteigenschaften bei niedrigem Energieeintrag Hochgenerieren in Zwangslagen bis 30 möglich G Mn interkristalline Korrosion mittels Strauß-Tests Seite 13

14 Forschung an der TU-Ilmenau Schwerpunkte 2: Untersuchungen zur Herstellung Verbundstruktur (Stahl + Hartstoffschicht) Werkstoffe G 19 9 L si COROCARB (Ni-B-Si Matrix + WSC-Partikel) Hardface HC-o (Fe-Matrix + Cr-Karbide) Ergebnisse: Rissfreie sechs Lagen aus HS-Schichten auf 10 Lagen aus Austenit Seite 14

15 t8/5 Zeit [s] t8/5 Zeit [s] Forschung an der TU-Ilmenau Eigenschaftsveränderung beim Austenit (u.a. Korrosion) Neigung zur Kaltrisse bei Hartstoffschichten t8/5 Zeitmessung Fülldrahtelektrode COROCARB Ni ohne Vorwärmung 1 Lage Austenit 4 Lagen Austenit 7 Lagen Austenit 10 Lagen Austenit 1. Lage Hartwerkstoff 2. Lage Hartwerkstoff t8/5 Zeitmessung Fülldrahtelektrode COROCARB Ni mit 150 C Vorwärmung 1 Lage Austenit 4 Lagen Austenit 7 Lagen Austenit 10 Lagen Austenit 1. Lage Hartwerkstoff 2. Lage Hartwerkstoff Seite 15

16 Härte nach Vickers [HV 10/15] Härte nach Vickers [HV 10/15] Forschung an der TU-Ilmenau Ergebnisse: Härteverlauf im Austenit - COROCARB Ni - Verbund (HV 9) Übergang - Austenit - Hardface HC-O (Schmelzlinie) Abstand der Härtemesspunkte in Bezug auf die Grundplatte [mm] X austenitische Schweißlagen Nickel-Wolfram-Schmelzkarbid Gradierter Härteverlauf am Übergang zwischen Austenit und Hartstoffschicht bei Fe- CrC Großer Härtesprung am Übergang zwischen Austenit und Hartstoffschicht bei Ni- WSC Härteverlauf Austenit - Hardface HC-O - Verbund (HV 86) Übergang - Austenit - Hardface HC-O (Schmelzelinie) Abstand der Härtemesspunkte in Bezug auf die Grundplatte [mm] X hochchromhaltige Eisen-Hartlegierungen austenitische Schweißlagen Seite 16

17 Forschung an der TU-Ilmenau Ergebnisse: Seite 17

18 Forschung an der TU-Ilmenau Ergebnisse: Die Möglichkeit von Herstellung geschlossener Konturen 10 Lagen Austenit + 2 Lagen Hartstoffschichten (Ni+WSC) Einsatzmöglichkeit: Additive Fertigung von Pumpenlaufrad mit Hartstoffverstärkten Kanten zum Verschleißschutz Seite 18

19 Forschung an der TU-Ilmenau Schwerpunkte 3: Untersuchungen zur Herstellung von Versteifungsstrukturen Werkstoff: Aluminiumlegierungen Technologie: CMT-Print Reproduzierbare Einbringung definierter Werkstoffmenge durch definierte Anzahl von CMT-Zyklen Seite 19

20 Forschung an der TU-Ilmenau Ergebnisse: Die Möglichkeit zur Herstellung 3D Strukturen Die Möglichkeit der Fertigung auch in Zwangslagen Einsatzmöglichkeit: Additive Fertigung von Kühlplatten mit definierter Innenstrukturierung Additive Fertigung von Bauteilen mit Versteifungsstrukturen (Leichtbau-Drehfuttergehäuse) Seite 20

21 Zusammenfassung Der Einsatz von additiven Fertigung Mittels Lichtbogen zur Herstellung von einsatzfähigen Bauteilen ist: für große Spannweite von Werkstoffen möglich für Klein- bis Mittelserien geeignet. für Bauteile mit großen Abmessungen und Komplexen Geometrien geeignet Durch die Einstellung der Schweißparameter könnten: die metallurgischen Eigenschaften die mechanischen Eigenschaften eingestellt werden Seite 21

22 Vielen Danke für Ihre Aufmerksamkeit Seite 22

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