Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer lichtbogenbasierten, additiven Herstellung von endkonturnahen Ti6Al4V-Bauteilen mittels Draht unter kontrollierter Wärmezu- und -abfuhr

Der Schwerpunkt des Vorhabens besteht in der drahtbasierten, additiven Fertigung von endkonturnahen Ti 6Al 4V Bauteilen mittels Metall-Schutzgas-Schweißen. Hierbei soll eine Anpassung der metallurgischen und technisch-mechanischen Eigenschaften über die gezielte Temperaturführung während und nach dem Aufbauprozess umgesetzt werden. Insbesondere für die Herstellung von großvolumigen Bauteilen im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik oder des Sondermaschinenbaus wird dabei die ressourceneffiziente Herstellung von Bauteilen mit geringem Spanvolumen ermöglicht.

Die Herausforderung beim lagenweisen Aufbauprozess mittels Lichtbogenverfahren besteht im periodischen Energieeintrag auf bereits erstarrte Schweißlagen. Mit zunehmender Lagenanzahl wird somit in Abhängigkeit von Werkstoff, Bauteilgeometrie und Prozessparametern ein Wärmestau in der Struktur erzeugt. Dies resultiert in der Änderung der Nahtgeometrie und der Gefügemerkmale. Insbesondere während der schweißtechnischen Verarbeitung von Ti64 besteht auch das Risiko der Sauerstoffaufnahme bzw. Oxidation und Aufhärtung der Randschicht. Somit werden mechanische Eigenschaften wie beispielsweise Festigkeit oder Duktilität negativ beeinflusst. Dem verfolgten Ansatz liegt zugrunde, dass eine werkstoff- und strukturangepasste Temperaturführung, auch durch eine zusätzliche Gaskühlung, zu einer Reduzierung der Lagentemperaturen führt. Darüber wird die Beeinflussung der Aufbaurate, des Bauteilverzugs und der metallurgischen Eigenschaften ermöglicht. Gleichwohl soll eine Strategie zur notwendigen Schutzgasabdeckung in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie erarbeitet untersucht wer-den.

Die Ergebnisse des Vorhabens ermöglichen deutschen kmU die wirtschaftliche Umsetzung der lichtbogenbasierten, additiven Fertigung von Ti6 4 mit hoher Produktivität. Somit können kmU einen technologischen Vorsprung erzielen und ihre Wettbewerbsfähigkeit ausbauen.

Ergebniszusammenfassung:

Das abgeschlossene Forschungsvorhaben adressierte die systematische Erarbeitung von Aufbaustrategien bei der additiven Fertigung von Ti-6Al-4V Strukturen mittels MSG-Schweißprozess. Im Rahmen der Untersuchungen wurden verschiedene Schweißregime gezielt eingestellt und untersucht. Hierbei konnte die Eignung des geregelten, energiereduzierten Kurzlichtbogens für den additiven Aufbauprozess nachgewiesen werden. Am Beispiel des Drahtdurchmessers von 1,0 mm wurden Schweißbereichsdiagramme für den additiven Aufbauprozess aufgestellt und die Ausbildung charakteristischer Fehlerbilder dargestellt. Für die Generierung von Bauteilen mit einer erhöhten Strukturbreite wurden unterschiedliche Schweißfolgen bzw. Aufbaustrategien untersucht und Empfehlungen für Anwendungsfälle gemäß den Vorteilen der jeweiligen Aufbaustrategie gegeben. Darüber hinaus erfolgten wissenschaftliche Untersuchungen zum Einfluss des Energieeintrages, der Zwischenlagentemperatur und der Strukturgröße auf die resultierenden Bauteileigenschaften hinsichtlich geometrischer, metallurgischer und mechanisch-technologischer Aspekte. Zur aktiven und gezielten Beeinflussung des Abkühlverhaltens erfolgt die Integration einer Gaskühlung in den Versuchsaufbau und die Analyse des Einflusses unterschiedlicher Kühlgaszusammensetzungen auf die Abkühlgeschwindigkeit sowie die Darstellung resultierender metallurgischer Effekte. Basierend auf den Erkenntnissen wurden 3D-Strukturen, sowie ein Demonstratorbauteil aus der industriellen Anwendung additiv gefertigt.

So profitieren Anwender und insbesondere kmU von einer wissenschaftlich fundierten Erweiterung des Einsatzbereiches des etablierten und kostengünstigen Lichtbogenschweißverfahrens für die additive Verarbeitung der Legierung Ti-6Al-4V. Dies betrifft insbesondere Endanwender für die additive Fertigung von Bauteilen aus Ti-6Al-4V, sowie Hersteller von Schweißdrähten und Schweißstromquellen. Somit resultiert ein direkt quantifizierbarer, wirtschaftlicher Nutzen für kmU.