Enhanced simulation methodology and assessment for efficient Ti-6Al-4V WAAM component manufacturing

Titel in Übersetzung: Verbesserte Simulationsmethodik und Bewertung für eine effiziente Fertigung von Ti-6Al-4V WAAM Bauteilen

Sebastian Springer

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die Nutzung modernster Fertigungstechnologien wie die drahtbasierte additive Fertigung (WAAM) bietet Vorteile bei der Produktion großer, funktionaler Strukturen und verspricht eine Senkung der Durchlaufzeit und des Materialverbrauchs. Um WAAM-Komponenten in kritischen Luftfahrt-Anwendungen zu integrieren, ist ein umfassendes Verständnis der die Fertigungsqualität beeinflussenden Faktoren unerlässlich. Deshalb fokussiert sich diese Arbeit auf die Weiterentwicklung von Simulationsmethoden für WAAM-Prozesse aus der Titanlegierung Ti-6Al-4V. Sie zielt speziell auf die Verbesserung der Genauigkeit bei der Abschätzung prozessbeeinflussender Faktoren wie Eigenspannung und Verzug ab. Um die Qualität der WAAM-Strukturen zu sichern, wird zusätzlich eine umfassende Untersuchung des Ermüdungsverhaltens durchgeführt. Die Verbesserung der Simulationsmethodik beinhaltet eine ausführliche Untersuchung des intrinsischen Materialverhaltens von WAAM Bauteilen, wie Kriechen und der Dehnrate. Umfassende Materialtests wie Zug-, Kriech- und Kurzzeitfestigkeitsversuche ermöglichen die Erstellung einer experimentellen Datenbasis für das komplexe kriech- und zyklische viskoplastische Verhalten von Ti-6Al-4V WAAM- und Titan-Substrat. Es wurde ein fortschrittliches Norton-Bailey-Kriech- mit einem zyklischen Chaboche Verfestigungs-Modell kombiniert, wobei Parameter für die thermomechanische Simulation des WAAM-Prozesses angepasst wurden. Die Validierung anhand komplexer repräsentativer WAAM-Strukturen weist eine Reduktion des mittleren Fehlers beim simulierten Verzug im Vergleich zu experimentellen Messungen durch die verbesserte Methodik von 60% auf 6% auf. Der zweite Teil thematisiert die Charakterisierung der Ermüdungsfestigkeit von WAAM-Strukturen aus Ti-6Al-4V, wobei die Porosität als fertigungsprozessbedingtes Merkmal betrachtet wird. Da sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren der Bruchflächen Poren festgestellt wurden, wird ein Spannungsintensitäts- äquivalenter, probabilistischer Ansatz zur Transformation von Defekten zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit entwickelt. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit eine ingenieurmäßig anwendbare Simulationsmethodik für die thermo-mechanische WAAM Simulation vorgestellt, welche eine verbesserte Berechnung von Eigenspannungen, Verzug und Temperatur für Ti-6Al-4V ermöglicht. Ebenso wird ein Konzept zur Ermüdungsbewertung vorgestellt, welches die Ermittlung der Lebensdauer beim Vorhandensein von Defekten im WAAM-Material erlaubt. Diese Fortschritte tragen zum verbesserten Verständnis des WAAM-Prozesses bei und eröffnen neue Möglichkeiten für die Anwendung versagenskritischer Luftfahrt WAAM-Bauteile.
Titel in ÜbersetzungVerbesserte Simulationsmethodik und Bewertung für eine effiziente Fertigung von Ti-6Al-4V WAAM Bauteilen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Stoschka, Michael, Beurteiler A (intern)
  • Stockinger, Martin, Mitbetreuer (intern)
  • Leitner, Martin, Beurteiler B (extern)
  • Grün, Florian, Betreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2024

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 21-12-2028

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