Thermo-mechanical Calculation of Residual Stresses in Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) Samples and their Consideration in the Numerical Calculation of Fatigue Strength

Abstract

Die additive Fertigung mittels Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) bietet große Potenziale in der Herstellung komplexer Metallbauteile, ist jedoch mit technologischen Herausforderungen wie der Entstehung von Eigenspannungen verbunden. Diese können die Ermü- dungsfestigkeit von WAAM-Bauteilen erheblich beeinflussen und müssen daher bei der numerischen Lebensdauerbewertung berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein numerisches Verfahren zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit unter Berücksichtigung von Eigenspannungen entwickelt. Anstelle der ursprünglich vorgesehenen Übernahme thermo-mechanischer Simulationen aus einer vorherigen Arbeit wurden in Abstimmung mit den Betreuern zwei alternative Methoden zur Abbildung der Eigenspannungen getestet. Die erste Methode, basierend auf der Einbringung einer Druckkraft, erwies sich als unzureichend. In der zweiten Methode wurden temperaturäquivalente Dehnungen verwendet, um realitätsnahe Eigenspannungsverteilungen zu erzeugen. Im weiteren Verlauf wurden auf Basis der berechneten Spannungszustände zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurven (ZSD-Kurven) nach Ramberg-Osgood erstellt und unter Berücksichtigung des Masing-Verhaltens sowie kinematischer Verfestigung im Rahmen der 4R-Methode weiterverarbeitet. Die Mikrostützwirkung wurde mithilfe dreier Ansätze – dem impliziten Gradientenmodell, der Punkt- und Linienmethode – modelliert. Abschließend wurden die ermittelten Kerbspannungen mit experimentellen Rissorten verglichen und eine Wöhlerkurve erstellt.