Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

In-Situ Kornfeinung in der draht- und lichtbogenbasierten additiven Fertigung

Mit lichtbogenbasierter additiver Fertigung (WAAM – Wire Arc Additive Manufacturing) lassen sich durch Herstellung von endkonturnahen Fräsrohlingen nicht nur Material sparen, sondern potenziell auch bis zu 60 % der Herstellungskosten gegenüber der konventionellen Fertigung. Verfahrensbedingt zeigen mittels WAAM hergestellte Bauteile eine anisotrope Gefügestruktur, inhomogene mechanischen Eigenschaften, eine extreme Grobkornbildung über mehrere Lagen, thermischen Verzug und eine höhere Heißrissanfälligkeit. Diese Probleme lassen sich mit Maßnahmen zur Verringerung der Korngröße beheben.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Effizienz unterschiedlicher physikalischer in-situ Kornfeinungsmaßnahmen zu vergleichen und deren Wirkmechanismen zu verstehen und zu nutzen.

Dazu werden folgende Maßnahmen untersucht: Lichtbogenpolaritätswechsel, Lichtbogenpulsation, externe Schmelzbadanregung und Beeinflussung der Erstarrungsrichtung. Die Wirkmechanismen der einzelnen Kornfeinungsmaßnahmen werden anhand von Temperaturgradienten, der Erstarrungsgeschwindigkeit und eingebrachter Wärmemenge analysiert. Die Korngrößenverteilung wird per Algorithmus automatisch anhand von metallografischen Schliffen bestimmt. Parameter, die zur minimalen Korngröße führen, werden zusammen mit Leitlinien zur Anwendung der Kornfeinungsmaßnahmen, Prozessfenstern, sowie den zu erwartenden verbesserten mechanischen Kennwerten in einer Handlungsempfehlung für kmU dokumentiert.

Durch die Forschungsergebnisse soll die additive Fertigung mittels Lichtbogen als alternatives Fertigungsverfahren für kmU attraktiver gemacht werden. Die Verarbeitung von heißrissanfälligen Werkstoffen oder hochfesten feinkörningen Stählen mittels WAAM eröffnet zusätzlich neue Märkte im Bereich des Kran- oder des Gasturbinenbaus. Diese können typischerweise von schweißtechnischen kmU erschlossen werden. Weiterhin wird die Einstiegshürde für kmU durch verbesserte mechanische Eigenschaften und ein richtungsunabhängiges Design verringert.