Regelungstechnische Untersuchung eines Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) Prozesses

In Zusammenarbeit mit dem ISAF wird ein additives Fertigungsverfahren, allgemein als „3D-Druck“ bekannt, untersucht. Anfangs wurden diese Verfahren auf Grund hoher Investitionskosten und geringer Fertigungsgeschwindigkeiten im Bereich des Rapid Prototypings eingesetzt. Aktuell erfolgt der Einsatz vermehrt in der gesamten Fertigung. Die Vorteile sind ins Besonders die große Flexibilität und der nahezu vollständigen Materialnutzungsgrad. Die verschiedenen Verfahren unterscheiden sich dabei in der Art der Material- und der Energiezuführung.

Das Material wird in Form eines Pulvers oder eines Drahtes zugeführt. Die Energiezuführung erfolgt mittels eines Elektronenstrahls, eines Lasers oder eines Lichtbogenschweißprozesses. Letztere bieten die höchsten Aufbauraten, erfordern jedoch eine komplexe Regelung des gesamten Prozesses. Das Erzeugen komplexer Geometrien mittels WAAM ist dabei Stand der Technik, die Berücksichtigung der erzeugten Materialeigenschaften und die Robustheit gegenüber Prozessstörungen jedoch nicht.

Die Materialeigenschaften eines Metalls hängen stark von verwendeten Materialien und dem Abkühlvorgang ab. Eine Regelung des Prozesses kann das Einstellen der gewünschten Materialeigenschaften ermöglichen. Jedoch sind Schweißprozesse anfällig für Störungen, beispielsweise Störungen des Schutzgasmantels, der Schweißzusätze oder der Zwischenlagentemperaturen. Um demgegenüber eine Robustheit des Prozesses zu erreichen ist eine Berücksichtigung erforderlich.

Die messtechnische Untersuchung des Lichtbogenschweißprozesses ermöglicht die Erfassung der aktuellen Temperaturverteilung in Echtzeit und somit die Rückführung entscheidender Prozessgrößen.

Die Abteilung Regelungstechnik des Institutes für Elektrische Informationstechnik befasst sich mit der Regelung und der systemtheoretischen Analyse des WAAM-Prozesses unter Berücksichtigung der Größen mit direktem Bezug zu den Materialeigenschaften.

Für die Regelung ist dabei ein regelungstechnisch orientiertes Modell des WAAM-Prozesses erforderlich, um die nicht direkt messbare Prozessgrößen zu schätzen. Das Modell umfasst sowohl die elektrischen Größen als auch Vorgänge am Lichtbogen, den Materialübergang sowie die Wärmeleitungsvorgänge im Werkstück. Die darauf aufbauende Regelung zielt darauf ab die geforderte Robustheit gegenüber Prozessstörungen und die Adaption an verschiedene Anforderungen zu gewährleisten.