Parameter Optimisation Study for the Finite-Element Analysis of Wire-Arc Additive Manufacturing

Titel in Übersetzung: Studie zur Parameteroptimierung für die Finite-Elemente Analyse von Wire-Arc Additive Manufacturing

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

84 Downloads (Pure)

Abstract

In dieser Arbeit wurde die Anwendbarkeit von DEFORM® beim mehrlagen Lichtbogenschweißen untersucht, indem eine statistische Analyse des Parametereinflusses mit Hilfe der Design of Experiments Versuchsplanung durchgeführt wurde. Zu diesem Zweck wurde ein Fertigungsexperiment durchgeführt, bei dem 32 Lagen aus Ti-6Al-4V auf eine Substratplatte aufgebracht wurden, die mit Thermoelementen zur Aufzeichnung des Referenztemperaturverlaufs ausgestattet war. Die gewonnenen realen Prozessdaten wurden zur Extraktion der Schichtzeiten und detaillierten Bewegungsdaten des Schweißbrenners verwendet. Anschließend wurde in MATLAB® ein Wärmequellenmodell auf der Grundlage der normierten Schichthöhe und der volumetrischen Wärmeleistung programmiert, wobei die Wärmeleistung in Abhängigkeit von den realen Fertigungseinstellungen gesteuert wurde. Dummy-Wärmequellen wurden eingeführt, um jede Schicht trotz Einschränkungen innerhalb der DEFORM®-Schweißumgebung korrekt zu aktivieren. Alle erzielten Ergebnisse wurden in einem zeitsynchronisierten Wärmequellenmodell zusammengefasst, um einen bequemen Import in die Simulationen zu gewährleisten. Außerdem wurde das standardisierte Ti-6Al-4V Materialmodell verbessert und erweitert, um genaue und stabile Berechnungen zu gewährleisten.
Die Parameteranalyse wurde mit Hilfe einer statistischen Versuchsplanung durchgeführt, wobei die absolute Abweichung zwischen den Temperaturkurven und den entsprechenden Thermoelementen als Vergleichsbasis diente. Insgesamt wurden 8 Parameter als interessant identifiziert und in drei Versuchsreihen gruppiert. Jede Versuchsreihe verfolgte unterschiedliche Schwerpunkte, um die Anzahl der einzelnen Parameter und damit die Anzahl der für aussagekräftige Ergebnisse erforderlichen Experimente zu reduzieren. Einzelne Datenpunkte wurden mit Hilfe vollständiger quadratischer Reaktionsflächenmodelle untersucht, um theoretisch optimale Prozessparameter für jeden nachfolgenden Datenpunkt zu finden. Zu diesem Zweck wurde ein benutzerdefinierter MATLAB®-Code für eine verbesserte Analyse entwickelt, der einzelne Ergebnisse zu einer zeitreihenbasierten Analyse verkettet. Die Wärmeleitfähigkeit k und der Wirkungsgrad η der Wärmequelle erwiesen sich als die bei weitem einflussreichsten Parameter, und der vordere und hintere Scheitelpunkt des Ellipsoids erwiesen sich als die einflussreichsten geometrischen Wärmequellenparameter. Aufgrund ihrer geringen Abweichung von den in der Literatur vorgeschlagenen Werten wurden normalisierte Wärmequellenabmessungen verwendet, um sich auf die energetischen Parameter zu konzentrieren, was den Vorschlag von zeitabhängigen Funktionen für die Wärmequellenleistung und die leitenden Randbedingungen ermöglichte.
Unter Verwendung aller gesammelten Informationen wurde ein verbessertes Finite-Elemente-Modell erstellt, das die Randbedingungen und Zeitabläufe so realistisch wie möglich wiedergibt. Bei der thermischen Analyse war eine sehr genaue Annäherung an die realen Temperaturmessungen möglich, die Sicherheit der realistischen Entwicklung muss jedoch noch durch künftige Experimente bestätigt werden.
Titel in ÜbersetzungStudie zur Parameteroptimierung für die Finite-Elemente Analyse von Wire-Arc Additive Manufacturing
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Hartl, Karin, Mitbetreuer (intern)
  • Stockinger, Martin, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung30 Juni 2023
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Montanuniversität
  • Leoben
  • DEFORM
  • Finite Elemente Methode
  • DoE
  • WAAM
  • Statistische Analyse
  • Lichtbogenschweißen

Dieses zitieren