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Herstellung endkonturnaher Verbundbauteile mittels additiver Fertigung und heißisostatischem Pressen = Manufacturing of near-net-shape composite components using additive manufacturing and hot isostatic pressing
2022 & 2023
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-10-06
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-04554
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/957078/files/957078.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Pulvermetallurgie (frei) ; additive Fertigung (frei) ; heißisostatisches Pressen (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Additive Manufacturing (AM) konnte sich über die letzten etwa 20 Jahre als neues Fertigungsverfahren in Wissenschaft und Industrie etablieren. Als Vorteil des Verfahrens gilt, dass Bauteile mit einer nahezu beliebigen Geometrie in einfacher Weise hergestellt werden können. Solch eine Herstellung dauert allerdings vergleichsweise lange, und besonders bei einer dynamischen Belastung versagen die Bauteile früher als konventionell hergestellte Teile. Lange etabliert ist dagegen das heißisostatische Pressen (HIP). Mit HIP ist es möglich, Pulverschüttungen oder poröse Bauteile zu voller Dichte zu konsolidieren. Im Ergebnis weisen die Bauteile ein feines homogenes Gefüge und ausgezeichnete dynamische Eigenschaften auf. Als Nachteil beim Pulver-HIP können allerdings nur Bauteile mit einfachen Geometrien hergestellt werden. Thema dieser Arbeit ist die Kombination der beiden Fertigungsverfahren. In dieser Weise wird es möglich, maßgeschneiderte Verbundbauteile mit optimierter Geometrie endkonturnah herzustellen. Neben AM und HIP wurde für diese Fertigungsroute intensiv die FEM-Simulation genutzt. Mit der FE-Methode wurde zunächst die Geometrie der Bauteile endkonturnah optimiert. So wurden die im weiteren Verlauf der Prozesskette auftretenden Formänderungen berechnet. Mit PBF-LB wurden aus Metallpulver dünnwandige, offene Kapseln der berechneten Geometrie aufgebaut. So erzeugte Kapseln wurden mit Pulver eines zweiten Werkstoffs gefüllt und danach im HIP-Verfahren voll verdichtet. Der gesamte Prozess wurde als Proof of Concept erfolgreich mit einem komplexen Bauteil durchgeführt. Mit einer optischen 3D-Vermessung wurde eine Genauigkeit von <2 % ermittelt. Neben dem AM+HIP-Prozess wurden mehrere Werkstoffe bezüglich ihrer Eignung für PBF-LB untersucht. Aus zwei Werkstoffen konnten Kapseln aufgebaut und rissfrei heißisostatisch gepresst werden. Parallel dazu wurde mit einer numerischen Finite-Elemente-Simulation iterativ die Geometrie der HIP-Bauteile optimiert. Zusätzlich wurden sogenannte »HIP-Maps« erstellt, in denen der Einfluss der HIP-Parameter auf die Verdichtung gezeigt wird. Noch dazu wurden für FEM-Simulation und HIP-Maps Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Abschließend wurden die gefertigten Bauteile metallografisch untersucht. Charakteristische Gefüge für AM und HIP wurden in den Bauteilen beobachtet. Zusammenfassend kann die untersuchte Prozesskette als erfolgreich beurteilt werden.Additive Manufacturing (AM) has established itself as a new manufacturing process in science and industry over the last approximately 20 years. One advantage of the process is that components with almost any geometry can be manufactured in a simple manner. However, such production takes a comparatively long time, and the components fail sooner than conventionally produced parts, especially under dynamic load. Hot Isostatic Pressing (HIP), on the other hand, has long been established. With HIP, it is possible to consolidate powder bulk or porous components to full density. As a result, the components exhibit a fine homogeneous microstructure and excellent dynamic properties. However, as a disadvantage with powder HIP, only components with simple geometries can be produced. The subject of this work is the combination of the two manufacturing processes. In this way, it is possible to produce tailored composite components with optimized geometry near-net-shape. In addition to AM and HIP, FEM simulation was used intensively for this manufacturing route. The FE method was first used to optimize the geometry of the components near-net-shape. In this way, the shape changes occurring in the further course of the process chain were calculated. Thin-walled, open capsules of the calculated geometry were built from metal powder using PBF-LB. Capsules created in this way were filled with powder of a second material and then fully compacted in a HIP process. The entire process was successfully carried out as a proof of concept with a complex component. An optical 3D measurement was used to determine an accuracy of <2 %. In addition to the AM+HIP process, several materials were investigated with respect to their suitability for PBF-LB. From two materials, capsules could be built up and hot isostatically pressed without cracks. In parallel, a numerical finite element simulation was used to iteratively optimize the geometry of the HIP components. In addition, so-called HIP maps were created, showing the influence of the HIP parameters on the compaction. In addition, sensitivity analyses were carried out for FEM simulation and HIP maps. Finally, the manufactured components were examined metallographically. Characteristic microstructures for AM and HIP were observed in the components. In summary, the investigated process chain can be considered successful.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT030033829
Interne Identnummern
RWTH-2023-04554
Datensatz-ID: 957078
Beteiligte Länder
Germany
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