Thermo-mechanical analysis of plasma-based additive manufacturing of Ti-6Al-4V components using Simufact Welding 8.0

Abstract

Additive Fertigungsverfahren unterscheiden sich von den traditionellen formenden und subtraktiven Produktionsparadigmen und stellen innovative Fertigungsmethoden dar. Additive Fertigungsverfahren erzeugen die Geometrie auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch Hinzufügen, Auftragen und Ablagern von Material entlang bestimmter Bahnen. Die Möglichkeit das thermoelastische plastische Verhalten von additiv hergestellten Komponenten zu simulieren, bietet einen enormen Nutzen für ein tieferes Verständnis des Prozesses und hat gleichzeitig eine bedeutende praktische Anwendung. In dieser Arbeit werden Temperatur-, Verzerrungs- und Eigenspannungsfelder untersucht, die während der Plasma-Metallabscheidung (PMD) von mehrschichtigen Ti 6Al 4V Komponenten auftreten. Die Modellierung und Berechnung der numerischen Modelle erfolgt in Simufact Welding 8.0. Die Schweißstruktursimulationen verwenden die Finite-Elemente-Methode. Dabei werden die auftretende Temperaturverteilung und deren Gradienten unter Verwendung des doppelellipsoid Wärmequellenmodells nach Goldak berechnet und gekoppelte thermoelastisch plastische Schweißstruktursimulationen durchgeführt. Für die Prozessabbildung wird die Bedeutung der Messung von Schlüsseleigenschaften für die Kalibrierung der Wärmequellen hervorgehoben und als entscheidend für die Qualität der Modelle angesehen. Die Simulationen sollen helfen optimale Bau- und Einspannstrategien zu finden, um die Praktikabilität der numerischen Simulationen im potentiell industriellen Maßstab zu demonstrieren.

Additive manufacturing is one of the most innovative and revolutionary manufacturing methods. The ability to simulate the thermo-elastic-plastic response of additively manufactured components offers tremendous utility for gaining deeper understanding of the process, while also having significant practical application. This study examines the temperature, distortion and residual stress fields occurring during plasma metal deposition (PMD) of multi-layer Ti 6Al 4V single wall structures using the finite element software Simufact Welding 8.0. The temperature distribution and its gradients are determined by using the Goldak double ellipsoid heat source model. On this basis, coupled thermo elastic plastic structural welding simulations are performed. For process mapping, the significance to measure key characteristics for the calibration of the heat source is presented and seen as critical for the quality of the models. Accordingly, the results achieved are used to elaborate an optimal building and clamping strategy for an aerospace bracket to demonstrate the practicability of numerical simulations on a potentially industrial scale.