Grundlagen einer konsistenten Charakterisierung und Bemessung von WAAM-gefertigten Stahlbauteilen bei hoher Abschmelzleistung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Feldmann; Professor Dr.-Ing. Uwe Reisgen
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Fügetechnik und Trenntechnik ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539093885

Mit der Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) eröffnen sich dem Stahlbau außerordentlich große Perspektiven neuer Gestaltungs- und Einsatzmöglichkeiten. Jedoch sind sowohl die Technologie in Hinblick auf eine im Stahlbau erforderliche Fertigungsgeschwindigkeit als auch die stahlbaumäßige Bemessung unter Berücksichtigung der prozess-und bauteilbedingten Unregelmäßigkeiten von Geometrie und Struktur noch in weiten Teilen unerforscht. Dabei sind die Fertigungstechnologie und die der Bemessung zugrundeliegenden Charakteristika von mit WAAM hergestellten Bauteilen miteinander eng verbunden. Die Erforschung der für den Stahlbau erforderlichen Grundlagen zur Schaffung erhöhter Abschmelzleistungen und Fertigungssicherheit im Bereich der WAAM, der geometrischen und strukturellen Merkmalscharakterisierung, sowie die Grundlagen einer mit Fertigung und Charakterisierung konsistenten Bemessung von WAAM-gefertigten Stahlbauteilen mit „freier Form“ sind deswegen Gegenstand dieses Projekts. Auf der Fertigungsseite betrifft dies die Erhöhung der Abschmelzleistung unter sicherer Abschätzung von Verzug und Eigenspannungen, die Optimierung des Fertigungsergebnisses in mechanisch-technologischer Hinsicht unter Berücksichtigung der einsetzbaren Drahtwerkstoffe sowie die Weiterentwicklung und Integration der Automatisierungsprozesse. Dies betrifft auch die Parametrierung, Steuerung und Bahnkurvenprogrammierung. Nach der Klärung von prinzipiell machbaren Topologien beziehen sich die Fragestellungen weiter auf das Finden von geeigneten Parameterkonstellationen der Fertigung, um gewünschte Material- und Geometrieeigenschaften sicher zu erreichen, sowie auf die Charakterisierung des gefertigten Bauteils hinsichtlich Material und Geometrie. Neben Festigkeitsverteilungen und dem Einfluss der Eigenspannungen beeinflussen insbesondere die Oberflächenrauheit, sich ergebende Dickenabweichungen und Welligkeiten der Bauteilwandung die für die Bemessung zu verwendenden charakteristischen Werte für Geometrie und Material. Hierfür werden statistische Merkmale abgeleitet. Es wird sodann auf ein Konzept von Fertigungsklassen abgezielt, deren charakteristische Merkmale die Bemessung wieder aufgreift. Hierzu sind die zu erwartenden Bauteilformen und Bemessungsfälle sowie die Fertigung incl. Automatisierung zu berücksichtigen. Fertigung und Bemessung müssen untereinander abgestimmt sein, da die strukturmechanischen Eigenschaften des Bauteils von der fertigungsbedingten Beschaffenheit abhängen. Darauf aufbauend beziehen sich die Fragestellungen der Bemessung auf ein möglichst zweckmäßiges Nachweiskonzept, in dem die diversen Bemessungsfälle eingebettet werden können. Unter Berücksichtigung der aus dem WAAM-Prozess entstammenden Material- und Geometrieabweichungen sollen der Bauteilwiderstand unter Zugspannungen, das Stabilitätsverhalten sowie die Ermüdungsfestigkeit unter besonderer Berücksichtigung des streuenden Charakters der Merkmale des additiv gefertigten Bauteils erforscht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen