Experimentelle und numerischer Untersuchungen zur Betriebsfestigkeitsbewertung hybrider WAAM-Proben

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden hybride WAAM-Probekörper hinsichtlich Ermüdung unter-sucht und Auswertungsansätze verglichen. Der Ausgangspunkt ist, dass sich nominalspannungs-basierte Detailklassen, welche etabliert und in den Normen verankert sind, nur eingeschränkt für WAAM-Strukturen eignen. Sie weisen eine stark individuelle Geometrie, Kerbgeometrie und Oberflächenbeschaffenheit auf, was zu lokalen Spannungserhöhungen führen kann und die Er-müdungsfestigkeit beeinflusst. Zur Beachtung dieser Einflüsse stellen lokale Kerbspannungsan-sätze eine Alternative dar. Ziel der Arbeit war die Entwicklung und Bewertung einer Methodik, welche die realen Geometrien hybrider WAAM-Proben aus 3D-Scans rekonstruiert (Reverse En-gineering), mit der Finite Elemente Methode simuliert und die simulationsgestützten Ergebnisse in die Ermüdungsbewertung mit einbezieht. Untersucht wurden „Dog Bone“-Probekörper aus A36-Schiffsbaustahl mit WAAM-Auftrag. Die Geometrie wurde mittels 3D-Topographiescans erfasst und über gemittelte Profillinien in verein-fachte 2D-Finite Elemente Modelle überführt. Darauf aufbauend wurde ein Simulationsansatz in Ansys entwickelt, mit dem die Belastungssituation realitätsnah abgebildet werden kann. Dieser umfasst sowohl die Simulation des Einspannvorgangs als auch der axialen Zugbeanspruchung. Die lokale Auswertung erfolgte im Vergleich zum Nominalspannungsansatz und es wurde insbe-sondere die Theory of Critical Distances (TCD) verwendet sowie eine IIW-Korrektur des Win-kelverzugs und die 4R-Methode. Die Ermüdungsversuche wurden bei einem Spannungsverhält-nis von R=0 durchgeführt. Untersuchungsgegenstand waren eine As welded-Serie und zwei HFMI-Serien. Letztere konnten jedoch aufgrund fehlerhafter Ausführung nicht belastbar ausge-wertet werden, sodass sich die quantitative Untersuchung auf die As welded-Serie begrenzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelte Rekonstruktions- und Simulationsmethodik die ver-sagenskritischen Bereiche der Proben plausibel abbildet. In neun von zehn Fällen stimmte der numerisch ermittelte kritische Bereich mit dem experimentell beobachteten Versagensort überein. Die TCD-basierten Kerbspannungsfaktoren lagen im Bereich von 2,1 bis 2,6 und verdeutlichen die große Bedeutung der lokalen Kerbwirkung. Gleichzeitig zeigte sich, dass der Winkelverzug der Proben bzw. die daraus resultierenden sekundären Biegespannungen den dominanten Ein-fluss auf die Streuung der Ermüdungsergebnisse ausmachen. Diese konnte gegenüber der nomi-nalen Auswertung deutlich verringert werden auf ein minimales Streuungsverhältnis Ts von 1,05. Eine Auswertung allein mit Nominalspannungen erwies sich aufgrund der Streuung und einem niedrigen Referenzspannungsniveaus als unzureichend. Der Einbezug der sekundären Biegebelas-tung ist für eine belastbare Bewertung der Proben erforderlich. Als geeignetster Ansatz wird die 4R-Methode bewertet, da sie lokale Kerbwirkung, sekundäre Biegespannung und das lokal ver-änderte Spannungsverhältnis gemeinsam berücksichtigt. Insgesamt zeigt die Arbeit, dass eine belastbare Ermüdungsbewertung hybrider WAAM-Probekörper vor allem durch die kombinierte Berücksichtigung der realen Geometrie, lokalen Kerbwirkung und des Probenverzugs sinnvoll ist. Die Aussagekraft der Ergebnisse ist jedoch durch die geringe Probenzahl, die 2D-Vereinfachung der Geometrie und die eingeschränkte Übertragbarkeit auf andere WAAM-Strukturen begrenzt.