Unser Know-how auf der ICWAM
17. bis 19. Mai 2017 – Metz
Die erste Ausgabe des internationalen Kongresses ICWAM, organisiert vom Institut de Soudure, der École Centrale de Nantes, der Association Française du Soudage und dem International Institute of Welding, widmet sich den Themen Schweißen, additive Fertigung und zugehörige zerstörungsfreie Prüfung.
Verpassen Sie nicht die Vorträge unserer Experten:
■ Philippe ACQUIER, F&E-Ingenieur Additive Fertigung: „Einfluss der Aufbaustrategien auf die Fertigung großer Bauteile aus Ti-6Al-4V mit dem LMD-CLAD®-Verfahren“
■ Ludovic KOUNDE, F&E-Ingenieur Simulation und Modellierung: „Additive Fertigung: die Auswirkungen der Aufbaustrategien auf die Bauteile“
■ Catherine SCHNEIDER-MAUNOURY, Doktorandin Additive Fertigung: „Einsatz des LMD-CLAD®-Verfahrens zur Herstellung funktional gradierter Werkstoffe mit einer Ti6Al4V-Mo-Legierung“
Zusammenfassungen der Vorträge
Einfluss der Aufbaustrategien auf ein großformatiges, mit dem Laser-Metal-Deposition-Verfahren CLAD® gefertigtes Ti-6Al-4V-Bauteil.
Philippe Acquier1,a, Didier Boisselier1,b, Jérôme Wursthorn1,c, Ana Maria Fernandez Blanco2,d, Ludger Weber2,e und Andreas Mortensen2,f
1IREPA LASER, Pôle API – parc d’innovations, 67400 Illkirch, Frankreich
2EPFL, MXD 038 (Gebäude MX), Station 12, CH – 1015 Lausanne, Schweiz
apa@irepa-laser.com, bdb@irepa-laser.com, cjw@irepa-laser.com, dana.fernandezblanco@epfl.ch, eludger.weber@epfl.ch, fandreas.mortensen@epfl.ch
Laser-Direct-Metal-Deposition-Verfahren werden zur Fertigung mittel- bis großformatiger Bauteile aus einer Vielzahl von Werkstoffen eingesetzt. Mit zunehmender Bauteilgröße spielen dessen Verzug sowie die Robustheit des Verfahrens über lange Fertigungszeiten eine entscheidende Rolle. Die Betriebsbedingungen und Aufbaustrategien müssen optimiert werden, um die erwartete Bauteilqualität zu erreichen.
Auf Basis der additiven Fertigung mit dem LMD-Verfahren CLAD® und im Rahmen des EU-geförderten FP7-Projekts AMAZE wurde ein großformatiger Demonstrator (>1m) gefertigt.
Dieser Beitrag stellt die verschiedenen Schritte der Fertigung dieses Bauteils vor: Validierung der Werkstoffparameter, zerstörungsfreie Prüfungen, mechanische Charakterisierung, Aufbau von Teilelementen und Fertigung des endgültigen Demonstrators. Zudem werden die während der Fertigung aufgetretenen Probleme und die zu ihrer Behebung umgesetzten Lösungen beleuchtet.
Additive Fertigung: die Auswirkungen der Aufbaustrategien auf die Bauteile
Die additive Fertigung (AF), darunter das direkte additive Laserauftragsverfahren (CLAD®), ermöglicht die Herstellung maßgeschneiderter Metallbauteile ohne Werkzeuge und mit sehr kurzen Durchlaufzeiten.
Da die AF jedoch auf einem thermischen Verfahren beruht, bei dem der Werkstoff vollständige Prozesszyklen (Erwärmung – Schmelzen – Erstarrung – Abkühlung) durchläuft, treten in den mit AF gefertigten Bauteilen Eigenspannungen auf, die zu Verformungen, Maßabweichungen oder sogar Rissen führen können. Es ist daher unerlässlich, diese thermomechanischen Spannungen zu bewerten bzw. zu quantifizieren, um ihre Lage und die daraus resultierenden Verformungen vorhersagen zu können.
Die Untersuchung dieser Fragestellungen erfolgte mittels Modellierung und numerischer Simulation der Aufbaustrategien für mehrere Bauteiltypen; dabei wurden drei verschiedene Aufbaustrategien getestet. Eine spezielle Vorrichtung wurde konzipiert, um die Auswirkungen der Einspannung auf das Substrat zu begrenzen. Temperatur- und Verzugsmessungen wurden während der Fertigung am Substrat durchgeführt, die Eigenspannungen nach dem Aufbau gemessen.
Ein Vergleich zwischen numerischer Modellierung und experimentellen Messungen wurde durchgeführt und wird in diesem Vortrag vorgestellt.
Einsatz des LMD-CLAD®-Verfahrens zur Herstellung funktional gradierter Werkstoffe mit einer Ti6Al4V-Mo-Legierung
Ziel der vorgestellten Arbeiten ist die Herstellung funktional gradierter Werkstoffe (FGM: Functionaly Graded Material) mit einem Pulverauftragsverfahren namens CLAD® (Construction Laser Additive Directe). FGMs sind Werkstoffe, deren chemische Zusammensetzung – und damit deren mechanische und mikrostrukturelle Eigenschaften – sich in einer oder mehreren Richtungen allmählich verändert. Der Vorteil solcher Werkstoffe liegt in der Möglichkeit, die Vorzüge zweier (oder mehrerer) Werkstoffe in ein und demselben Bauteil zu vereinen und zu bündeln.
Nach der Festlegung der chemischen Zusammensetzung jedes Elements werden die Pulver gemischt und anschließend unter den Laserstrahl eingeblasen. Die chemische Zusammensetzung kann Schicht für Schicht angepasst werden, um einen Zusammensetzungsgradienten zu erzeugen. Durch den Einsatz von zwei Pulverförderern lassen sich einzigartige, maßgeschneiderte Legierungen herstellen. Eines der Ziele dieser Studie besteht darin, das Verfahren so anzupassen, dass Werkstoffe mit unterschiedlichen thermophysikalischen Eigenschaften wie der Schmelztemperatur (1674°C für Ti6Al4V und 2617°C für Mo) kombiniert werden können. Auch die Verfahrensparameter müssen angepasst werden, um beide Werkstoffe unter dem Laserstrahl aufzuschmelzen.
Es wurden verschiedene Wände mit Zusammensetzungsgradient hergestellt, vom einfachsten bis zu einem komplexeren Gradienten. Die chemische Zusammensetzung entwickelt sich von 100% Ti6Al4V zu Beginn des Aufbaus bis zu 100% Mo an der Oberseite der Wand. Zwischen der ersten und der letzten Schicht steigt bzw. sinkt der Anteil von Ti6Al4V und Mo zwischen den einzelnen Gradientenstufen um 50%, 25% oder 20%.
Die hergestellten Wände wurden mit verschiedenen Methoden charakterisiert, um für jeden Zusammensetzungsgradienten Folgendes zu bestimmen: die vorhandenen Phasen (XRD), den Gehalt jedes chemischen Elements (EDS), die Kornmorphologie und die kristallografische Textur (EBSD), die mechanischen Eigenschaften (Mikrohärte) sowie die Verteilung der Elemente (Tomografie).
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