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Process Development and Metallurgical Characterization of Wire-based Direct Energy Deposition for Aluminium-Magnesium Alloys

Produktform: Buch / Einband - flex.(Paperback)

Die additive Fertigung zählt zu den generativen Fertigungsverfahren und basiert auf dem Prinzip des schichtweisen Aufbaus von Komponenten oder Bauteilen, durch gezielte Aufschmelzung und Erstarrung von Pulver oder Draht. Hierbei zeichnet sich die Technologie des drahtbasierten Laserauftragschweißens dadurch aus, dass im Vergleich zu pulverbasierten Prozessen hohe Auftragsraten von mehreren Kilogramm statt einigen hundert Gramm pro Stunde erzielt werden können. Das Schmelz- und Erstarrungsverhalten ist eine wichtige Prozesseigenschaft, die die resultierende Erstarrungsmikrostruktur und chemische Zusammensetzung der generierten Bauteile bestimmt und somit die mechanischen Eigenschaften beeinflusst. Es ist stark von der Prozesstemperatur und den vorherrschenden Abkühlraten, sowie Temperaturgradienten abhängig, die durch gezielte Anpassung der Prozessenergieeinträge gesteuert werden können. Aluminium-Magnesium-Legierungen zählen aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu den gefragtesten Leichtbauwerkstoffen in der Transportindustrie. Sie werden oftmals für großvolumige Bauteile eingesetzt und könnten mittles drahtbasiertem Laserauftragschweißen wirtschaftlich verarbeitet werden. Dieser Prozess ist im Bereich der Verarbeitung von Aluminium-Magnesium-Legierungen jedoch weitestgehend unerforscht. Komplexe Herausforderungen wie das hohe Reflexionsvermögen von Aluminium in Bezug auf dessen Wechselwirkung mit Laserstrahlen, die Entwicklung von Poren und Rissen oder die Verdampfung flüchtiger Elemente erschweren die industrielle Implementierung des Prozesses. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Herausforderungen methodisch zu adressieren, um die Verarbeitbarkeit von Aluminium-Magnesium-Legierungen mittels drahtbasiertem Laserauftragschweißen zu ermöglichen. Da die mechanischen Eigenschaften dieser nicht wärmebehandelbaren Legierungen stark durch die Mikrostruktur bestimmt werden, liegt ein besonderes Augenmerk auf der Identifizierung der Beziehungen zwischen Prozessenergie und resultierender Erstarrungsmikrostruktur, sowie mechanischer Eigenschaften erzeugter Komponenten. Zu diesem Zweck werden theoretische Betrachtungen thermophysikalischer Eigenschaften des Materials durchgeführt, relevante Prozessenergien während des drahtbasierten Laserauftragschweißens identifiziert und hinsichtlich ihres Einflusses auf die Prozesstemperatur diskutiert. Darüber hinaus erfolgt eine Betrachtung und Diskussion häufig beobachteter Defekte und Ursachen f¨ur Prozessinstabilit¨aten, die bei der Verarbeitung von Aluminium- Magnesium-Legierungen beachtet werden müssen. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen werden Ansätze zur defektfreien und stabilen Verarbeitung von Aluminium- Magnesium-Legierungen mittels drahtbasiertem Laserauftragschweißen entwickelt. Der erste Ansatz basiert hierbei auf einer extern Beeinflussung der Prozesstemperatur durch gezieltes Vorheizen des Substrats. Dies ermöglichte hohe Prozessgeschwindigkeiten und zeigte positive Auswirkungen auf das Schmelz- und Erstarrungsverhalten. Die metallographische Charakterisierung und Ergebnisse von Mikrohärteprüfungen zeigten jedoch die Entwicklung einer Kornvergröberung entlang der Aufbauhöhe der generierten wandartigen Strukturen, die mit einer Abnahme der Mikrohärte einhergingen. Der zweite Ansatz zur Prozessentwicklung basiert auf der Verwendung niedriger Prozessgeschwindigkeiten, um ein stabiles Schmelz- und Erstarrungsverhalten zu erzeugen. Die Laserbestrahlungsintensität ist als eine dominante Prozessgröße identifiziert worden, die die Prozesstemperatur und somit das Schmelz- und Erstarrungsverhalten ebenfalls stark beeinflusst. Auf Basis von theoretischen Betrachtungen wurden minimale und maximale Laserbestrahlungsintensitätsgrenzwerte ermittelt und genutzt, um wandartige Strukturen unter Wärmeleitschweißbedingungen zu generieren. Zur detallierten Untersuchung der Beziehung zwischen Prozess und Bauteileigenschaften, wurde der Fertigungsprozess von einer thermografischen Überwachung begleitet. Die generierten wandartigen Strukturen wurden metallografisch und mechanisch charakterisiert um die Beobachtungen der thermischen Effekte mit mikrostukturellen Phänomenen zu verknüpfen. Es konnte gezeigt werden, dass die gezielte Steuerung der Laserbestrahlungsintensität genutzt werden kann, um signifikant unterschiedliche Schmelz- und Erstarrungsverhalten während des Prozess zu erzeugen. Diese spiegelten sich ebenfalls in den resultierenden mechanischen Eigenschaften der generierten Bauteile wider.weiterlesen

Dieser Artikel gehört zu den folgenden Serien

Sprache(n): Englisch

ISBN: 978-3-9654810-4-6 / 978-3965481046 / 9783965481046

Verlag: sierke VERLAG - Sierke WWS GmbH

Erscheinungsdatum: 30.05.2021

Seiten: 182

Auflage: 1

Autor(en): Martin Frönd

54,00 € inkl. MwSt.
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