The Path from Arc Welding to Additive Manufacturing of Multi-material Parts Using Directed Energy Deposition

Abstract

Within this contribution, the transfer of knowledge from conventional fusion and deposition welding using electric arc processes to advanced directed energy deposition (DED) of multi-material structures in additive manufacturing are presented. Gas metal arc and plasma welding have been used for decades to produce either joints or metallic deposits with desired properties. Also creating certain shapes by depositing weld metal in a layer-wise manner has been known for approximately 100 years. With the rise of additive manufacturing, conventional arc welding processes have been extensively used to “print” 3‑dimensional parts. The possibility of additively manufacturing multi-material parts or transition parts is of particular interest as this has the potential to create load-efficient structures or even create new alloys within the AM process. Within this contribution, Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) and 3D Plasma Metal Deposition (3DPMD) for the manufacturing of multi-material and transition parts are discussed. The experience with various alloys from carbon steels, high-alloyed steels, and titanium- and nickel-based alloys are presented.In diesem Beitrag wird die Entwicklung und der Transfer von Kenntnissen aus dem konventionellen Schmelz- und Auftragschweißen zum fortschrittlichen Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung (DED) von Multimaterialstrukturen in der additiven Fertigung vorgestellt. Lichtbogen- und Plasmaschweißen werden seit Jahrzehnten eingesetzt, um entweder Verbindungs- oder metallische Auftragschweißungen mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Auch die Fertigung bestimmter Formen durch das schichtweise Auftragen von Schweißgut ist seit etwa 100 Jahren bekannt. Mit dem Aufkommen der additiven Fertigung wurden herkömmliche Lichtbogenschweißverfahren in großem Umfang zum „Drucken“ dreidimensionaler Teile eingesetzt. Die Möglichkeit der additiven Fertigung von Multimaterial- oder gradierten Bauteilen ist von besonderem Interesse, da dies das Potenzial hat, belastungseffiziente Strukturen zu schaffen oder sogar neue Legierungen innerhalb des AM-Prozesses zu erzeugen. In diesem Beitrag werden Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) und 3D Plasma Metal Deposition (3DPMD) für die Herstellung von Multimaterial- und gradierten Strukturen diskutiert. Die Erfahrungen mit verschiedenen Legierungen insbesondere aus den Bereichen der Kohlenstoffstähle, hochlegierten Stähle sowie Titan- und Nickelbasislegierungen werden vorgestellt.