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2023 | Buch

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Temperaturadaptive Prozessauslegung für das Laser-Pulver-Auftragschweißen

verfasst von: Markus Heilemann

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Light Engineering für die Praxis

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

In diesem Buch wird das Laser-Pulver-Auftragschweißen betrachtet, ein variabel einsetzbares generatives Fertigungsverfahren, das spezifische Vorteile in den Industriezweigen Beschichten, Reparieren und mittlerweile auch in der additiven Fertigung (3D-Druck) aufweist. Um das vollständige Potenzial als ressourcenschonende Technologie nutzen zu können, sind jedoch noch unterschiedliche Aufgabenstellungen entlang der Prozesskette zu optimieren. In der Anwendung lassen sich starke Abhängigkeiten zwischen der Bauteilgeometrie und dem Prozess beobachten, sodass nach heutigem Stand keine einheitliche Aufbaustrategie für beliebige Bauteile angewendet werden kann. Durch signifikante Unterschiede der thermischen Randbedingungen im Prozess und zwischen den Bauteilgeometrien wird oftmals eine variierende Prozessstabilität und damit auch Bauteilqualität beobachtet. Es ist somit stets eine iterative, meist experimentelle Prozessoptimierung notwendig. Diese erfordert Expertenwissen und geht mit hohen Ressourcenkosten sowie langen Entwicklungszeiten einher. Folglich ist eine breite Industrialisierung dieses Verfahrens speziell für die additive Fertigung nach wie vor eingeschränkt. Um diesem Defizit entgegenzuwirken, wird in dem vorliegenden Buch eine temperaturadaptive Prozessauslegung vorgestellt. Auf Grundlage von empirisch ermittelten Daten und einer thermischen Simulation wird eine automatisierte Generierung einer angepassten Prozessstrategie für beliebige Bauteile ermöglicht.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung

Im ersten Kapitel wird eingeleitet woraus sich die Motivation für die Inhalte dieses Buches abgeleitet hat. Es wird außerdem erläutert warum das betrachtete Verfahren des Laser-Pulver-Auftragschweißens eine bedeutende Rolle für eine ressourcenschonende Fertigung einnimmt und an welchen Stellen dabei gleichzeitig auch noch die Hürden für eine breitere Industrialisierung liegen.

Markus Heilemann

Kapitel 2. Stand der Wissenschaft und Technik

Zusammenfassung

Dieses Kapitel fasst die für diese Arbeit relevanten Erkenntnisse aus Wissenschaft und Technik zusammen. Das in der vorliegenden Arbeit betrachtete Verfahren ist das Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). Der Prozess zeichnet sich durch einen geringen und sehr gezielten Energieeintrag aus und ist ein etablierter Prozess zur Beschichtung, Reparatur und zunehmend auch für den 3D-Druck. Daher wird der Prozess in diesem Kapitel im Detail betrachtet und dabei ein besonderer Fokus auf die Zielgrößen und Einflussfaktoren gelegt. Für ein tiefergehendes Verständnis der Temperaturentwicklung beim LPA werden weiterhin auch die Wärmeleitungsmechanismen und Modellierungsansätze beschrieben. Abschließend werden die zwei für diese Arbeit relevanten Werkstoffe dargestellt.

Markus Heilemann

Kapitel 3. Zielstellung und methodisches Vorgehen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden auf Grundlage der beschriebenen Zielgrößen und der Einflussfaktoren beim LPA die notwendigen Handlungsfelder abgeleitet. Hierfür werden die beschriebenen Beobachtungen in eine Arbeitshypothese überführt. Abschließend wird dargestellt, wie die Lösungsmethodik in Form eines Flussdiagramms aussieht und welche wissenschaftlichen Aufgabenstellungen sich für diese Arbeit daraus ableiten lassen.

Markus Heilemann

Kapitel 4. Anlagen- und Systemtechnik

Zusammenfassung

Dieses Kapitel beinhaltet die Beschreibung der in dieser Arbeit angewandten Systemtechnik und erläutert den grundlegenden Aufbau der Versuche. Alle Versuche dieser Arbeit werden mit der robotergestützten Auftragschweißanlage TruDepositionLine der Firma Trumpf GmbH & Co. KG durchgeführt. Beim Laser-Pulver-Auftragschweißen stellen die Energiequelle, das Materialfördersystem, die Bearbeitungsoptik und die Handhabungseinheit die wesentlichen Systemkomponenten dar und werden daher in diesem Kapitel näher vorgestellt.

Markus Heilemann

Kapitel 5. Prozessauslegung mittels Randbedingungsanalyse

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die abgeleiteten wissenschaftlichen Aufgabenstellungen für diese Arbeit behandelt. Für die aufgestellte Arbeitshypothese sind Untersuchungen anzustellen, die diese am Ende der Arbeit verifizieren. Hierfür werden zunächst die Prozessparameter für die beiden Werkstoffe In625 und Ti-6Al-4V grade 5 ermittelt. Anschließend werden Experimente durchgeführt, welche die Korrelation der Einzelspurausprägung und mechanischen Eigenschaften mit den thermischen Randbedingungen untersuchen. Weiterhin wird experimentell ermittelt, wie sich eine variierende Laserleistung und Schweißgeschwindigkeit auf das Prozessergebnis auswirken. Zur Abbildung der thermischen Randbedingungen von beliebigen Geometrien wird abschließend die Entwicklung eines Simulationsmodells mit Comsol Multiphysics beschrieben. Dieses beschränkt sich auf die Wärmeübertragungsmechanismen im Prozess und soll damit flexibel und rechenzeitoptimiert CAD-Geometrien vor dem Auftragschweißprozess analysieren. Das abgeleitete Temperaturfeld T(x,y,z,t) dient in Verbindung mit den Erkenntnissen der vorangegangenen Untersuchungen zur temperaturadaptiven Prozessauslegung beim Laser-Pulver-Auftragschweißen.

Markus Heilemann

Kapitel 6. Bedeutung der Ergebnisse für die Praxis

Zusammenfassung

Die in dieser Arbeit entwickelten empirischen Modelle der Einzelspurausprägung, die Methodik, die Korrelation der Temperatur mit der Streckenenergie für adaptive Prozessparameter zu nutzen, und das numerische Simulationsmodell auf Makro-Ebene können zusammengefasst als Werkzeuge für eine temperaturadaptive Prozessauslegung verwendet werden. In diesem Kapitel wird daher zunächst der Nachweis der Anwendbarkeit anhand von Grundgeometrien beim LPA durchgeführt. Anschließend wird die Übertragbarkeit auf eine weitere Systemtechnik experimentell überprüft.

Markus Heilemann

Kapitel 7. Zusammenfassung

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die Inhalte und die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefasst, die Erfüllung der Arbeitshypothese bewertet und dargestellt, über welche Schritte es zukünftig möglich ist eine bauteilindividuelle Prozessstrategie zu realisieren.

Markus Heilemann

Kapitel 8. Ausblick

Zusammenfassung

Im letzten Kapitel dieser Arbeit werden dessen Inhalte noch einmal reflektiert und ein Ausblick beschrieben, wie an die betrachteten Themen zukünftig angeknüpft werden kann. Da beim LPA in der Regel eine subtraktive Nacharbeit notwendig ist, liegt ein großer Fokus auf der Schnittstelle zu diesen Verfahren. Weiterhin sind die Bereiche des maschinellen Lernens und die Möglichkeit einer Industrialisierung der Arbeitsergebnisse zu betrachten.

Markus Heilemann

Backmatter

Titel: Temperaturadaptive Prozessauslegung für das Laser-Pulver-Auftragschweißen
verfasst von: Markus Heilemann
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-68207-4
Print ISBN: 978-3-662-68206-7
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-68207-4

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