Ziel dieser Arbeit ist, eine Grunderhebung an Daten über die während der Fertigung auftretenden Begleiterscheinungen wie Verzug und Eigenspannungen zu generieren, so dass spätere Forschungen darauf aufbauen können. Hierzu wird zunächst der während der additiven Fertigung entstehende Verzug der Bauteile gemessen, da während des Laserprozesses hohe Mengen an thermischer Energie in das Bauteil eingebracht werden.
In einem weiteren Schritt werden dann die Bauteile hinsichtlich der eingebrachten Eigenspannungen untersucht. Diese entstehen sowohl bei der Biegung der Blechgrundkörper als auch während der additiven Fertigung. Da nun sowohl bei der Umformung von Ti-6Al-4V als auch bei der Laserbestrahlung eine Spannung prozessbedingt im Werkstoff entstehen, werden die produzierten Proben unterschiedlichen Wärmebehandlungen unterzogen um diese zu reduzieren.
Die gewonnenen Ergebnisse geben dann Auskunft über die Maßhaltigkeit der Bauteile nach dem Prozess und die verwendeten Prozessparameter lassen sich weiter anpassen. Weiter kann mit den Ergebnissen aus den experimentellen Untersuchungen, das Ergebnis einer Simulation verifiziert werden oder Rückschlüsse auf mögliche Anpassungen in der angelegten Simulation getroffen werden können.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Grundlagen der Biegeumformung
2.1.1 Freies Biegen
2.1.2 Theorien zur Berechnung der Biegung
2.1.3 Einfluss- und Störgrößen
2.1.4 Laserstrahlbiegen
2.2 Additive Fertigung mittels Laserstrahlschmelzen
2.3 Titan und Titanlegierungen
2.3.1 Metallkundliche Grundlagen von Titan:
2.3.2 Metallkundliche Grundlagen von Titanlegierungen (TiAl6V4):
2.4 Methoden zur Bestimmung von Eigenspannungen
3 Aufgabenstellung und Zielsetzung
4 Genutzte Anlagen, Software und Werkstoffe
4.1 Anlagen und Software
4.2 Werkstoffe / Chemikalien
5 Versuchsaufbau und -durchführung:
5.1 Allgemeine Probenbehandlung
5.2 Proben für Verzugsmessung
5.3 Proben für Eigenspannungsmessungen
6 Charakterisierung der Hybridbauteile
6.1 Verzugsauswertungen nach additivem Aufbau
6.2 Auswertung der Eigenspannungsmessungen
6.2.1 Vorstudie
6.2.2 Messung Biegelinie – Nach Umformung – 4 Biegewinkel
6.2.3 Messung Biegelinie – Nach additiven Aufbau
6.2.4 Messungen Schliff – Nach Umformung
6.2.5 Messung – nach additiven Aufbau
6.2.6 Messung Biegelinie – nach Wärmebehandlung und Umformung
6.2.7 Messungen Schliff – nach Wärmebehandlung
6.2.8 Auswertung Prozesskette 1,5 mm Blech – thermisch/mechanisch:
6.2.9 Auswertung Prozesskette 1,5 mm Blech – mechanisch/thermisch:
7 Diskussion der Ergebnisse
7.1 Verzug
7.2 Eigenspannungen
8 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die durch eine Kombination aus Umformprozessen (Biegen) und additiver Fertigung (Laserstrahlschmelzen) in Titanbauteile eingebrachten Eigenspannungen sowie den prozessbedingten Verzug, um Daten für zukünftige Hybridbauteil-Forschungen zu generieren.
- Analyse des Verzugs bei unterschiedlichen Blechdicken und Laserparametern.
- Untersuchung des Spannungszustands in Hybridbauteilen durch verschiedene Prozessreihenfolgen.
- Entwicklung und Anwendung einer Prüfmethodik mittels Röntgendiffraktometrie (XRD).
- Einfluss von Wärmebehandlungen auf den Spannungsabbau im Werkstoff Ti6Al4V.
Auszug aus dem Buch
2.1.4 Laserstrahlbiegen
Durch Entwicklungen im Bereich der Lasertechnik, ist auch heutzutage auch möglich Blechkörper über die Einbringung von Wärme zu biegen, wodurch mechanische Verfahren teilweise schon ersetzt werden können.
Umformen per Laserstrahl kann im Wesentlichen über zwei Effekte geschehen. Zum einen kann eine Längenänderung von Werkstücken mithilfe des Stauchmechanismus, bei welchem eine homogene Temperatur in das Werkstück eingebacht wird, durchgeführt werden und zum anderen können Bauteile auch mittels Temperaturgradienten Mechanismus gebogen werden, bei welchem eine inhomogene Temperaturverteilung über den Bauteilquerschnitt eingebracht wird. Abbildung 2-8 zeigt dabei die Wärmeverteilung und den entstehenden Temperaturgradienten [8].
Der Prozess kann vereinfacht in vier Schritte unterteilt werden. Zunächst befindet sich das Werkstück in einer Ausgangssituation. Anschließend wird der Werkstoff lokal erwärmt, was zu einer thermischen Expansion des bestrahlten Bereichs führt, wodurch Druckspannungen eingebracht werden. Im dritten Schritt werden die Spannungen im erwärmten Bereich durch plastisches Fließen wieder abgebaut. Im letzten Schritt kommt es dann auf Grund der Abkühlung zu einer thermischen Kontraktion [9]. Da in dieser Arbeit additive Elemente auf dünnen Blechgrundkörpern aufgebaut werden, ist die Wärmeeinbringung in diese nicht unerheblich, wodurch es zu Deformationen im Grundblech kommen könnte.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung erläutert die Bedeutung von Titan in der modernen Technik und begründet die Notwendigkeit, hybride Fertigungsverfahren sowie deren Auswirkungen auf Verzug und Eigenspannungen zu erforschen.
2 Stand der Technik: In diesem Kapitel werden grundlegende Biegeverfahren, die additive Fertigung mittels Laserstrahlschmelzen sowie werkstoffkundliche Aspekte von Titanlegierungen und Methoden zur Eigenspannungsmessung dargelegt.
3 Aufgabenstellung und Zielsetzung: Hier wird der Fokus auf die Datenermittlung bei kombinierten Laser- und Umformprozessen gelegt und die methodische Vorgehensweise zur Untersuchung des Verzugs und der Eigenspannungen spezifiziert.
4 Genutzte Anlagen, Software und Werkstoffe: Dieses Kapitel spezifiziert die verwendeten Hard- und Softwarekomponenten wie die SLM 280, das Röntgendiffraktometer sowie die verwendeten Werkstoffparameter.
5 Versuchsaufbau und -durchführung:: Der Abschnitt beschreibt detailliert die Probenpräparation, die Umformprozesse, Wärmebehandlungszyklen sowie die spezifischen Messmethoden für Verzug und Eigenspannungen.
6 Charakterisierung der Hybridbauteile: Hier werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zusammengetragen, inklusive Verzugsauswertungen und Eigenspannungsanalysen unter Variation der Prozessparameter.
7 Diskussion der Ergebnisse: Dieses Kapitel bewertet die gewonnenen Daten kritisch im Hinblick auf Prozessfaktoren wie Blechdicke, Belichtungsstrategie und den Einfluss der Wärmebehandlung auf den Spannungsabbau.
8 Zusammenfassung und Ausblick: Abschließend werden die zentralen Erkenntnisse der Arbeit zusammengefasst und Potenziale für weiterführende Studien, etwa durch simulative Abgleiche, aufgezeigt.
Schlüsselwörter
Titan, Ti6Al4V, Laserstrahlschmelzen, Biegeumformung, Hybridbauteile, Eigenspannungen, Verzug, Wärmebehandlung, Röntgendiffraktometrie, XRD, Prozesskette, Werkstoffkunde, Materialprüfung, Umformtechnik, Fertigungsverfahren.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Projektarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die Auswirkungen kombinierter Fertigungsverfahren – bestehend aus Blechumformung und additiver Fertigung mittels Laserstrahlschmelzen – auf die resultierenden mechanischen Spannungen und die geometrische Verzugsgenauigkeit.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Schwerpunkte liegen auf der experimentellen Datenerhebung zu Verzugserscheinungen, der Analyse von Eigenspannungen in verschiedenen Prozessketten und der Validierung von Wärmebehandlungsprozessen zur Spannungsminimierung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist eine wissenschaftliche Grunderhebung zu Begleiterscheinungen wie Verzug und Eigenspannungen, um für spätere Forschungsvorhaben im Bereich der hybriden Fertigung eine belastbare Datengrundlage zu schaffen.
Welche wissenschaftliche Methodik kommt zum Einsatz?
Es werden mechanische Umformversuche in Kombination mit einem additiven Laserprozess durchgeführt. Die Auswertung erfolgt optisch (3D-Geometriesystem) für den Verzug und mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) für die Analyse der Eigenspannungen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die genaue Beschreibung des Versuchsaufbaus, die Charakterisierung der Hybridbauteile anhand unterschiedlicher Prozessketten sowie die detaillierte Auswertung und Diskussion der gewonnenen Messergebnisse.
Welche Schlüsselbegriffe definieren die Arbeit?
Die Arbeit ist maßgeblich durch Begriffe wie Ti6Al4V, Laserstrahlschmelzen, Biegeumformung, Hybridbauteile, Eigenspannungen, Verzugsmessung und Spannungsarmglühen charakterisiert.
Warum wurde für die Proben Ti6Al4V als Werkstoff gewählt?
Ti6Al4V ist die am besten erforschte Titanlegierung mit einer hohen spezifischen Festigkeit und Biokompatibilität, was sie für die untersuchten Industriebereiche wie Luftfahrt und Medizintechnik hochrelevant macht.
Welche Auswirkung hat die Wärmebehandlung auf die Eigenspannungen?
Die Wärmebehandlung dient dem Abbau von Eigenspannungen. Die Untersuchungen zeigten, dass bei 650°C und 850°C ein weitgehend spannungsfreier Zustand erreicht werden kann, während 1050°C zu einem unerwünschten Kornwachstum führen.
- Arbeit zitieren
- Florian Tost (Autor:in), 2017, Eigenspannungen und Verzug an Blechgrundkörpern mit additivem Element. Eine experimentelle Untersuchung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/541382
