Lichtbogentechnik

Additive Fertigung (DED, WAAM)

  • 3D-Freiformbauteile
  • Prozess-Werkstoff-Wechselwirkungen
  • Hybridbauweisen und Werkstoffverbunde
  • Bahnplanung und Aufbaustrategien
  • Leichtbau und Topologieoptimierung
 

Auftrag- und Verbindungsschweißen

  • Verschleiß- und Korrosionsschutz
  • Heißdrahttechnologie
  • Mischverbindungen
  • Nahtvorbereitung und Stoßgeometrien
  • Sonderverfahren
  • Prozessautomatisierung

Prozessdiagnostik und Werkzeuge

  • numerische Simulation
  • Werkstoffübergang
  • Hochgeschwindigkeits-kinematografie
  • Thermografie
  • Akustik
  • 3D-Bauteilvermessung

Kontakt

M.Sc.
Philipp Henckell

Leitung Lichtbogentechnik

philipp.henckell@tu-ilmenau.de

+49 3677 69 2762

 

Ausgewählte Themenschwerpunkte

Additive Fertigung (DED, WAAM)

Die additive Fertigung mit Lichtbogenschweißprozessen wie beispielsweise MSG-, WIG- oder Plasmaverfahren stellt eine ressourceneffiziente und wirtschaftliche Möglichkeit zur Herstellung von komplexen 3D-Bauteilen dar. Der Einsatz von draht- oder pulverförmigen Zusatzwerkstoffen ermöglicht dabei Aufbauraten von mehreren kg/h, wodurch die Herstellung großvolumiger Bauteile adressiert werden kann. Die Arbeiten am Fachgebiet Fertigungstechnik beziehen sich dabei vor allem auf die Steuerung des Energieeintrages und die daraus resultierenden Prozess-Werkstoff-Wechselwirkungen. Mit dem WAAM Verfahren (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing) können nahezu alle metallischen Werkstoffe in Form von Draht verarbeitet werden.

Bahnplanung und Aufbaustrategien

In der additiven Fertigung werden dreidimensionale Strukturen mit einer variierenden Komplexität gefertigt. Für die Herstellung der Bauteile ist es notwendig eine Bahnplanung für die aufzutragenden Schweißraupen zu erstellen. Dabei wird das Bauteil in vertikale Ebenenschnitte zerlegt (engl.: gesliced), um diese anschließend lagenweise mit dem entsprechenden Fertigungsverfahren aufzutragen. Die Aufbaustrategie beinhaltet nicht nur die geometrischen Begebenheiten des Bauteils, sondern berücksichtigt auch die Wärmeführung innerhalb des Teils. Dadurch können sowohl Produktivität, als auch die mechanisch-technologischen Eigenschaften beeinflusst werden.

Multimaterialstrukturen und Hybridbauweisen

Die additive Fertigung mit Lichtbogenschweißprozessen ermöglicht den gezielten Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe innerhalb eines Bauteils. Durch den schichtweisen Aufbauprozess können spezifische Legierungssysteme an funktionsrelevanten Positionen innerhalb des Werkstücks platziert werden. Am Fachgebiet Fertigungstechnik werden somit beispielsweise Multimaterialstrukturen mit integriertem Verschleißschutz oder duktile Zwischenlagen zur Aufnahme von Eigenspannungen bzw. Reduzierung von Verzug umgesetzt.

Leichtbau und Topologieoptimierung

Filigrane, materialsparende, festigkeits- und steifigkeitsangepasste Tragstrukturen aus Metall gewinnen zunehmend an Bedeutung. Durch solche Strukturen ist es nicht nur möglich individuelle Ästhetik in Bauwerke einfließen zu lassen oder ikonenhafte architektonische Meisterwerke zu kreieren, sondern auch beanspruchungsoptimierte technische Lösungen in Anlehnung an die Natur (Bionik) zu generieren. Die Motivation eine leichte Struktur mit maximaler Stabilität herzustellen ist häufig mit dem Wunsch eines minimalen und angepassten Materialeinsatz sowie geringen Herstellungskosten gepaart.


 

Auftragschweißen von Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten

Das Auftragschweißen beschreibt eine Form des Beschichtens und wird zum Panzern, Plattieren oder Puffern von Bauteilen eingesetzt. Insbesondere die Aufarbeitung von verschlissenen Bauteilen mit verschleißschützenden oder korrosionsbeständigen Legierungssystemen stellt eine wirtschaftliche Möglichkeit zur Verlängerung des Produktlebenszyklus von beanspruchten Bauteilen dar. Die im Fachgebiet Fertigungstechnik angewandten Verfahren des Metallschutzgas- und Plasmapulverauftragschweißens zeichnen sich durch eine hohe Produktivität und sehr gute Automatisierbarkeit aus. Hierbei steht die Korrelation zwischen Prozessführung und Schichteigenschaften wie beispielsweise Verschleißbeständigkeit anhand unterschiedlicher Legierungssysteme im Forschungsfokus.

Hochproduktive Heißdrahttechnologie

Die Heißdrahttechnologie ist eine Verfahrenserweiterung des konventionellen Metallschutzgasschweißens (MSG) wobei ein oder mehrere Zusatzdrähte in das Schmelzbad des MSG-Prozesses geführt wird. Dabei wird einerseits eine signifikante Erhöhung der Abschmelzleistung durch den zusätzlich eingebrachten Draht erreicht. Andererseits kann der Energieeintrag des MSG-Lichtbogens vom Zusatzdraht entkoppelt werden, wodurch thermisch instabile Werkstoffe effizient verarbeitet werden können. Die Heißdrahttechnologie stellt am Fachgebiet Fertigungstechnik ein wesentliches Standbein im Bereich der Lichtbogentechnik dar.

Verbindungsschweißen

Lichtbogenschweißverfahren – wie beispielsweise das Metall-Schutzgas-Schweißen finden in vielen Bereichen, wie dem Automobil- und Kraftwerksbau breite Anwendung. Forschungsschwerpunkte am Fachgebiet Fertigungstechnik sind dabei die Entwicklung von Fügestrategien für das hochproduktive Schweißen mittels Heißdraht, aber auch für filigrane Schweißverbindungen an Feinblechen mit Blechdicken von weniger als 1 mm, welche zu den anspruchsvollsten Aufgaben in der Fügetechnik mit Lichtbogenverfahren gehören.

Sonderverfahren

Die Entwicklung und Erschließung neuartiger Anwendungsfelder stellt einen wesentlichen Schwerpunkt im Bereich der Lichtbogentechnik am Fachgebiet Fertigungstechnik dar. Hierbei werden Prozessentwicklungen, Analysemethoden, Automatisierungslösungen oder Werkstoffentwicklungen in öffentlich geförderten Forschungsvorhaben oder bilateraler Auftragsforschung umgesetzt. Die Kompetenz in den Bereichen additive Fertigung, Auftrags- oder Verbindungsschweißen ermöglicht die spezifische bzw. individuelle Realisierung von Sonderanwendungen.

Numerische Schweißstruktursimulation

Die Schweißstruktursimulation wird am Fachgebiet Fertigungstechnik als prozessbegleitendes Werkzeug zur Klärung schweißtechnischer Fragestellungen wie beispielsweise Gefügeumwandlungen, Eigenspannungen oder Bauteilverzug genutzt. Dabei basiert die Schweißsimulation auf der numerischen Lösung eines Modells und wird durch den Abgleich mit der experimentellen Versuchsdurchführung validiert. Die Gegenüberstellung unterschiedlicher Verfahrensvariationen, Werkstoffe oder Einspannzustände ermöglicht eine optimierte Vorgehensweise für die gewählte Schweißaufgabe. Die Schweißstruktursimulation findet neben der additiven Fertigung ebenso Anwendung im Verbindungs- und Auftragschweißen.

Akustische Prozessdiagnostik

Die akustische Prozessdiagnostik ist im Bereich der Lichtbogenverfahren seit Jahrzehnten eine angewandte Methodik, die jedoch hauptsächlich auf der Erfahrungsbasis der Schweißerinnen und Schweißer beruht. Mit Hilfe modernster Methoden der Signalverarbeitung sowie Ansätzen der künstlichen Intelligenz wird am Fachgebiet Fertigungstechnik die automatisierte Erfassung und Verarbeitung der entsprechenden Daten entwickelt. Aus diesem Ansatz ergibt sich die Entwicklung einer echtzeitfähigen Online-Qualitätssicherung für additiv gefertigte Bauteile. Somit kann sowohl der manuelle Prüfaufwand als auch die ressourcenintensive Nacharbeit zukünftig reduziert werden.

Mobile Produktion

Am Fachgebiet Fertigungstechnik wurde eine kompakte, kostengünstige und vollintegrierte Anlage zur additiven Fertigung mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) entwickelt. Hierbei stand die Weiterentwicklung der sensorischen Messdatenerfassung und -verarbeitung im Vordergrund der Entwicklung. Mit Außenabmaßen von ca. 2000x1200x1200 mm (HxBxT) ist der Gesamtaufbau derart kompakt gehalten, dass das System mobil für die Präsentation des Fertigungsverfahrens WAAM auf Fachmessen genutzt werden kann. In der Schweißanlage wird die Fertigung von Bauteilen mit Abmessungen von bis zu 800x750x300 mm³ mittels Dreiachs-CNC-Portalsystem ermöglicht. Die Bahnplanung und der Abgleich mit Sensordaten erfolgt dabei mittels 3D-CAD/CAM-System.