Design and Integration of Ultrasonic Vibration Systems in Wire Arc Additive Manufacturing

Diese Arbeit untersucht den Einfluss von Ultraschallschwingungen auf die in-situ gebildete Mikrostruktur von Ti-6Al-4V-Bauteilen, die mittels des Wire-Arc-Additive-Manufacturing-Prozesses unter Verwendung der Cold-Metal-Transfer-Schweißtechnik hergestellt wurden. Ein Versuchsaufbau wurde entwickelt, um mittels Ultraschallwandler Schwingungen in das Schmelzbad einzuleiten. Diese Schwingungen sollten Kavitation im Schmelzbad erzeugen, wobei die Implosion der Kavitationsblasen dazu dienen sollte, die säulenförmige Mikrostruktur des mehrlagigen Lichtbogenschweißens zu verfeinern und zu isotropisieren. Eine Versuchsreihe umfasste zudem Modifikationen des Versuchsaufbaus, sodass fünf verschiedene Konfigurationen getestet wurden, um mögliche Einflussfaktoren wie die Ausrichtung des Wandlers, Temperatureffekte und elektrische Isolierung zu berücksichtigen. Die endgültige Konfiguration besteht aus einem Ultraschallwandler mit piezoelektrischen Elementen, welche die Schwingungen durch ein elektrisches Signal erzeugen. Dieses sinusförmige elektrische Signal wird von einem Frequenzgenerator generiert und durch einen Signalverstärker verstärkt, bevor es an den Wandler übertragen wird. Die resultierenden Schwingungen werden über ein elektrisch isolierendes Kopplungselement auf eine Grundplatte übertragen, die das Schweißsubstrat trägt und mechanisch vom Schweißtisch entkoppelt ist. Zusätzlich zur Entwicklung des Versuchsaufbaus wurde eine vereinfachte Finite-Elemente-Analyse durchgeführt, um die Wellenausbreitung zu simulieren. Dabei wurde ein periodischer Druck auf eine Oberfläche ausgeübt, die der Kontaktfläche des Wandlers entspricht. Nachfolgende Vibrometermessungen, welche die Verschiebungen an 13 Punkten des physischen Versuchsaufbaus erfassten, zeigten, dass die Finite-Elemente-Analyse das reale Szenario aufgrund der Modellvereinfachungen nicht genau abbildete. Schweißexperimente an 13 Einzelwandstrukturen, die unter dem Einfluss von Ultraschallschwingungen durchgeführt wurden, zeigten nur geringe Unterschiede in den Mikrostrukturen oder Härtemessungen im Vergleich zu Referenzproben, die ohne Ultraschallschwingungen gefertigt wurden. Daher werden weitere Ansätze und Experimente vorgeschlagen.