Eigenspannungsentstehung bei der generativen und regenerativen lichtbogenbasierten additiven Fertigung mit umwandlungsfähigem Stahl

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Dilger; Dr.-Ing. Jens Gibmeier
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542533151

Im geplanten Forschungsvorhabens wird ein grundlegendes Verständnis der bauteilgebundenen Fertigungseinflüsse auf die Materialeigenschaften und insbesondere die Eigenspannungsentstehung bei der generativen und regenerativen Fertigung großvolumiger Bauteile mittels DED-Arc (Direct Energy Deposition Arc; Deutsch: lichtbogengestützter Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung) erarbeitet werden. Bei den Grundlagenuntersuchungen werden die Einflüsse von Energieeinbringung und Temperaturführung im Aufbauprozess auf die Produktivität, das Materialverhalten sowie die Eigenspannungsausbildung und den damit einhergehenden Verzug ermittelt und quantitativ beschrieben. Gelingen wird dies durch eine kombinierte Betrachtung der Prozesscharakteristiken, der Materialeigenschaften und durch lokale Echtzeiteinblicke in die Spannungsentstehung während des DED-Arc Prozessierens mittels in situ Synchrotronröntgenbeugungsanalysen sowie der Implementierung der experimentellen Versuchsdaten in ein numerisches Vorhersagemodell (FEM) zur Beschreibung bauteilintegraler Zusammenhänge. Durch die in situ Beugungsanalysen werden wertvolle zeitaufgelöste Prozessdaten bestimmt, mit Hilfe derer die Prozessvorhersage mittels FE Simulation validiert und verbessert werden kann. Im Ergebnis steht die quantitative Kenntnis der grundlegenden Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen Energie- und Materialeintrag, Temperaturführung sowie geometrieabhängiger Schrumpfungsbehinderungen auf die resultierenden Eigenspannungen und Verzüge in DED-Arc gefertigten Aufbauten. Auf Basis dieser Erkenntnisse wird weiterführend (im Zuge der Fortsetzung) die Wahl einer geeigneten Fertigungsstrategie zur Minimierung fertigungsbedingter Eigenspannungen komplexer Bauteile ermöglicht. Da im Vorhaben die Funktionalisierung und Reparatur an Bauteilen im Vordergrund stehen, wird das Auftragschweißen in (regenerativ) bzw. auf (generativ) eine vorhandene Struktur aus dem Warmarbeitsstahl X37CrMoV5-1 aufgebracht. Als Schweißzusatzwerkstoff wird der martensitisch umwandelnde Werkstoff Fe8 nach DIN EN 14700 in Form einer Massivdrahtelektrode angewendet. Für das systematische Vorgehen bei der Vorhabensbearbeitung wurden drei Basisgeometrien (dünnwandige Platte, Rohrgeometrie und umlaufende Stegstruktur auf einer Welle) ausgewählt, die eine separate Betrachtung einzelner Geometriefeatures von komplexen Bauteilen erlauben. Dabei wurden die Basisgeometrien so ausgewählt, dass sie sich grundlegend in den vorliegenden Schrumpfungsbehinderungen unterscheiden. In Anlehnung an mögliche Änderungs- und Instandsetzungsaufgaben wird zudem für die betrachteten Basisgeometrien, im Hinblick auf eine Wiederherstellung der Geometrie, der Materialauftrag einer ausgearbeiteten (fiktiven) Fehlstelle untersucht. Gemäß der allgemeinen Prozesskette bei Reparaturanwendungen werden in den Untersuchungen jeweils der Zustand nach erfolgtem endkonturnahen Materialauftrag sowie nach einer spanenden Oberflächenbearbeitung betrachtet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen