Simulative Vorhersage des Fertigungsprozesses beim additiven Metallschutzgasschweißen (WAAM) (T03#)

• Fachliche Zuordnung: Fügetechnik und Trenntechnik ; Strömungsmechanik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236616214

Die additive Fertigung birgt ein enormes Potential für die zukünftige Entwicklung der metallverarbeitenden Industrie. Insbesondere die Modifikation von kostengünstigen Halbzeugen durch individualisierte Strukturen erweitert die fertigungstechnischen Möglichkeiten und steigert Flexibilität und Wirtschaftlichkeit in kleinen Serien. Im Bereich der schweißtechnischen Forschung wird derzeit die Entwicklung von MSG-Prozessvarianten für die additive Fertigung verstärkt betrachtet (WAAM – wire arc additive manufacturing). Es ist hiermit möglich, metallische Bauteile unterschiedlicher Topologie direkt aus der Schmelze zu erzeugen. Dies bedingt, dass die Topologie des Substrates im Laufe des Prozesses durch den Prozess selbst bestimmt wird. Ein Schlüssel zur effizienten Entwicklung einer additiven Fertigungskette ist daher die Verfügbarkeit von mathematischen Modellen, die eine digitale Abbildung der notwendigen Prozessschritte ermöglichen. Hierzu ist insbesondere ein physikalisch basiertes numerisches Prozessmodell des eingesetzten Schweißprozesses notwendig. Im Bereich des Verbindungsschweißens existieren hierzu bereits Ansätze, die aber bislang nicht auf die additive Fertigung von Strukturen übertragen wurden. Dies soll in dem beantragten Transferprojekt mit einem neuartigen Ansatz erfolgen, der zukünftig eine Lösung des numerischen Problems mit vertretbarem Rechenaufwand erwarten lässt. Im SFB1120 wird der Zusammenhang zwischen Schmelzbadströmungen beim Metallschutzgasschweißen und der resultierenden Schweißnahtgeometrie erforscht. Bislang wurden die hydrodynamischen Gleichungen der Schmelzbadströmungen hauptsächlich im Euler-Ansatz gelöst, wo das Berechnungsnetz den gesamten Raum des Simulationsbereichs diskretisiert. Dieser Ansatz ist insbesondere für die numerische Untersuchung der physikalischen Effekte des herkömmlichen MSG-Schweißens gut geeignet, bei dem eine lineare Bewegung des Brenners auf einem ebenen Blech angenommen werden kann. Allerdings stößt dieser Ansatz an Grenzen bei dem dynamischen Wachstum der Bauteilgeometrie, wie es beim WAAM-Prozess der Fall ist. Die im Euleransatz verwendeten Level-Set- oder VOF-Methoden erfordern auch bei der Verwendung von adaptiven Vernetzungsstrategien die Diskretisierung des gesamten Raumes was insbesondere bei komplexen Bauteilgeometrien Ineffizienzen hinsichtlich des Rechenaufwands zur Folge hat. Hier gegenüber steht der SPH-Ansatz (smoothed particle hydrodynamics), in dem nicht der gesamte Raum des Simulationsbereichs, sondern nur die betrachtete Masse des Werkstoffs diskretisiert wird. Um die Anwendbarkeit der SPH-Methode auf die Simulation des MSG-Schweißprozesses zu überprüfen, wurde im Rahmen des SFB1120 eine Fallstudie als Begleitprojekt initiiert, die eine Übertragbarkeit auf den MSG-Prozess bestätigt. Das hier beschriebene Projekt ermöglicht den Transfer der bislang ausschließlich im Bereich der Grundlagenforschung eingesetzten Methoden in den Bereich der anwendungsorientierten Modelle.

• DFG-Verfahren: Sonderforschungsbereiche (Transferprojekt)
• Teilprojekt zu: SFB 1120: Bauteilpräzision durch Beherrschung von Schmelze und Erstarrung in Produktionsprozessen
• Internationaler Bezug: Belgien, Österreich
• Antragstellende Institution: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
• Unternehmen: Fronius International GmbH; Guaranteed B.V.
• Teilprojektleiter: Professor Dr.-Ing. Uwe Reisgen