Forscher entwickeln Vorhersagemodell für die Leistungsfähigkeit von DED-reparierten Teilen

Ingenieure der Tokyo University of Science (TUS) haben ein mathematisches Modell entwickelt, mit dem sich die Leistung von Teilen, die mit Directed Energy Deposition (DED) hergestellt werden, vorhersagen lässt, bevor sie überhaupt in 3D gedruckt werden. 

Mechanische Teile in industriellen Maschinen und Strukturen, die dünner werden oder Risse bekommen, müssen durch neue ersetzt werden. In den letzten Jahren wurden Versuche unternommen, sie zu reparieren, um die industrielle Nachhaltigkeit zu verbessern. Daher ist die Reparaturtechnologie für Maschinen ein heißes Thema der Forschung und Entwicklung. Beim herkömmlichen 3D-Drucken von Metallen wird die Oberfläche eines mechanisch aufgebrachten Pulverbettes mit einem Laser- oder Elektronenstrahl bestrahlt, um die Metallpartikel zu schmelzen und zu verschmelzen. Diese Methode erfordert jedoch sperrige Fertigungsanlagen. Außerdem fällt nach dem Herstellungsprozess eine große Menge an Metallpulver an. Die lasergestützte Energieabscheidung (LDED) ist jedoch eine vielversprechende Technologie, mit der diese Probleme überwunden werden können. Bei dieser Technik werden Metallpulver im Brennpunkt eines Laserstrahls abgeschieden, dann geschmolzen und gestapelt.

Die Vorteile von LDED liegen nicht nur in der Kompaktheit der Anlage, sondern auch in der erheblichen Reduzierung des Metallpulverabfalls. Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie die In-situ-Herstellung von Metallpulver in 3D-Form auf der Oberfläche eines Substrats. Das bedeutet, dass sie auch für die Reparatur von Maschinen aus Metall verwendet werden kann.

Eine Gruppe von Forschern, zu der Professor Masayuki Arai von der Abteilung für Maschinenbau, Fakultät für Ingenieurwesen, Tokyo University of Science (TUS), Japan, Herr Toshikazu Muramatsu, ebenfalls von der TUS, und Dr. Kiyohiro Ito von der Abteilung für Maschinenbau und Elektrotechnik, Suwa University of Science, Japan, gehören, hat in Zusammenarbeit mit dem Entwicklungslabor für thermische Spritztechnik der TOCALO Co. Ltd. in Japan eine Reparaturtechnik unter Verwendung von LDED entwickelt.

“Mit unserer Technik kann die Oberflächenform einer Metallstruktur vor Ort vollständig wiederhergestellt werden, und die Entsorgung des für die Reparatur erforderlichen Metallpulvers kann erheblich reduziert werden. Die optimalen Umformungsbedingungen, die für eine breite Anwendung dieser Technik in der Industrie erforderlich sind, mussten jedoch bisher durch ein Trial-and-Error-Verfahren ermittelt werden”, erklärt Prof. Arai, der aktiv an der Erforschung der Schadensmechanik und Reparaturtechnik beteiligt ist.

In einem Artikel, der am 23. November 2022 im Journal of Thermal Spray Technology veröffentlicht wurde, haben die Forscher ein mathematisches Modell für LDED entwickelt, das automatisch einen Bereich für die Abscheidung von Metallpulver mit Hilfe eines “death-birth”-Algorithmus generiert und damit das Rätselraten bei der Optimierung der Produktion überflüssig macht.

“Das Modell für Wärmestrahlung und Wärmeleitung und das viskoplastisch-thermoplastische Stoffmodell werden auf die gestapelten Elemente angewandt, die den abgeschiedenen Bereich bilden, so dass ein breites Spektrum von Zustandsänderungen vom Schmelzen bis zum Erstarren der abgeschiedenen Metallpulverschicht genau simuliert werden kann. Durch die Integration dieser Modelle in ein Finite-Elemente-Analyseprogramm haben wir ein neues Bearbeitungsanalysesystem entwickelt, das bisher noch nie verwendet wurde”, so Prof. Arai.

Das Team simulierte den Restaurierungsprozess numerisch und sagte so die Bedingungen des Umformprozesses, die Temperaturverteilung, den Verformungszustand und die Eigenspannungsverteilung im Voraus voraus und verifizierte die Ergebnisse durch Experimente. Sie stellten fest, dass die Eigenspannungen in der abgeschiedenen Schicht viel geringer waren als bei herkömmlichen Reparaturverfahren.

Dieses neuartige numerische Analysesystem für die 3D-Bearbeitung ist ein digitaler Zwilling der bestehenden Kernbearbeitungstechnologie, die auf dem Verschmelzen von Metall im zu reparierenden Bereich basiert. Die hier entwickelte numerische Analysemethode könnte in Zukunft bei verschiedenen industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen, z. B. bei der Planung der Reparatur von Kavitationsausdünnungen auf der Oberfläche einer Schaufel, die in der Umwälzpumpe eines Kraftwerks verwendet wird, und bei der Entwicklung einer Methode zur Verringerung der Restverformung nach der Reparatur der Ausdünnung der Spitze der Rotorschaufel einer Gasturbine. Die Automatisierung und die Vorhersage der Prozessbedingungen durch das numerische Bearbeitungsanalysesystem machen die 3D-Metallschichtenfertigung mit der LDED-Reparaturtechnologie effektiver und sorgen für ein effizientes Ressourcenmanagement, das die Nachhaltigkeit des Verfahrens verbessert.

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