Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Heat treatment of SLM-LMD hybrid components
    ( 2019)
    Uhlmann, Eckart
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    Düchting, Jan
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    Petrat, Torsten
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    Graf, Benjamin
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    Rethmeier, Michael
    Additive manufacturing is no longer just used for the production of prototypes but already found its way into the industrial production. However, the fabrication of massive metallic parts with high geometrical complexity is still too time-consuming to be economically viable. The combination of the powder bed-based selective laser melting process (SLM), known for its geometrical freedom and accuracy, and the nozzle-based laser metal deposition process (LMD), known for its high build-up rates, has great potential to reduce the process duration. For the industrial application of the SLM-LMD hybrid process chain it is necessary to investigate the interaction of the processes and its effect on the material properties to guarantee part quality and prevent component failure. Therefore, hybrid components are manufactured and examined before and after the heat treatment regarding the microstructure and the hardness in the SLM-LMD transition zone. The experiments are conducted using the nickel-based alloy Inconel 718.
  • Publication
    Prognose der Oberflächenbeschaffenheit für die additive Fertigung mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen
    ( 2018)
    Marko, Angelina
    ;
    Petrat, Torsten
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    Graf, Benjamin
    ;
    Rethmeier, Michael
    In den letzten Jahren hat vor allem die Nachfrage nach additiven Fertigungstechnologien und Reparaturverfahren für hochfeste Werkstoffe einen starken Aufschwung erlebt. Ein Verfahren, welches sich neben der Herstellung von Beschichtungen besonders für diese Anwendungen eignet, ist das Laser-Pulver-Auftragschweißen. Es wird besonders für Reparaturen bzw. zur Herstellung von teuren Bauteilen, wie Werkzeugen oder Turbinenteilen, eingesetzt. Da diese Teile oft großen mechanischen sowie thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist es besonders wichtig, dass die erzeugte Struktur eine hohe Qualität aufweist. In dieser Arbeit wird die statistische Versuchsplanung genutzt, um Modelle für die Oberflächenbeschaffenheiten von Inconel 718 zu generieren. Als Grundlage dient hierbei ein zentral zusammengesetzter Versuchsplan mit großem Parameterfenster. So wird die Leistung zwischen 550 Watt und 1950 Watt, der Vorschub von 530 mm/min bis 920 mm/min, der Pulvermassenstrom von 3 g/min bis 12 g/min sowie der Spotdurchmesser von 1 mm bis 2 mm variiert. Auf diese Weise wird die Spurgeometrie beeinflusst. Darüber hinaus wird das Überlappungsverhältnis zwischen 20% bis 50 % verändert. Die Auswertung der Oberflächenbeschaffenheit erfolgt mit dem auf der Fokusvariation basierendem Oberflächenmessgerät Alicona Infinite- Focus. Dieses Verfahren der 3D Mikrokoordinatenmesstechnik gewährleistet eine zuverlässige Auswertung der Spurgeometrie, der Welligkeit sowie die Messung der mittleren arithmetischen Höhe Sa zur Bestimmung der Oberflächenrauheit. Anschließend werden die generierten Modelle verifiziert. Ziel dabei ist es, kostenintensive Vorversuche in Zukunft einzusparen. Darüber hinaus wird das Prozessverständnis erweitert und signifikante Einflussfaktoren identifiziert.
  • Publication
    3D laser metal deposition in an additive manufacturing process chain
    ( 2017)
    Graf, Benjamin
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    Gumenyuk, Andrey
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    Rethmeier, Michael
    Laser metal deposition (LMD) is an established technology for two-dimensional surface coatings. It offers high deposition rates, high material flexibility and the possibility to deposit material on existing components. Due to these features, LMD has been increasingly applied for additive manufacturing of 3D structures in recent years. Compared to previous coating applications, additive manufacturing of 3D structures leads to new challenges regarding LMD process knowledge. In this paper, the process chain for LMD as additive manufacturing technology is described. The experiments are conducted using titanium alloy Ti-6Al-4V and Inconel 718. Only the LMD nozzle is used to create a shielding gas atmosphere. This ensures high geometric flexibility, although issues with the restricted size and quality of the shielding gas atmosphere arise. In the first step, the influence of process parameters on the geometric dimensions of single weld beads is analysed based on design of experiments and statistical evaluation. The results allow adjusting the weld bead dimensions for the specific component geometry. In the second step, features of a 3D build-up strategy for high dimensional accuracy are discussed. For this purpose, cylindrical specimens consisting of more than 200 layers are built. Welding of multiple layers on top of each other leads to heat accumulation. Consequently, the molten pool is increased and weld bead height and width are changed. Furthermore, cooling times are prolonged. The build-up strategy has to be adjusted to deal with these issues. Process parameters, travel paths and cooling breaks between layers are varied. Temperatures during the deposition process are measured with pyrometer and thermography. The specimens are analysed with metallurgic cross sections, x-ray and tensile test. Tensile tests show that mechanical properties in the as-deposited condition are close to wrought material. The results are used to design guidelines for a LMD build-up strategy for complex components. As reality test, parts of a gas turbine burner and a turbine blade are manufactured according to these build-up strategies. Build-up rate, net-shape and microstructure of these demonstrative components are evaluated. This paper is relevant for industrial or scientific users of LMD, who are interested in the feasibility of this technology for additive manufacturing.
  • Publication
    Laser-Pulver-Auftragschweißen zum additiven Aufbau komplexer Formen
    ( 2015)
    Petrat, Torsten
    ;
    Graf, Benjamin
    ;
    Gumenyuk, Andrey
    ;
    Rethmeier, Michael
    Das Laser-Pulver-Auftragschweißen als additives Fertigungsverfahren ermöglicht einen endformnahen Aufbau von Bauteilen. Ein Zielkonflikt besteht zwischen der Forderung nach hoher Aufbaurate und hoher Endformnähe, welcher von der Schweißraupengröße wesentlich beeinflusst wird. In dieser Veröffentlichung wird das Laser-Pulver-Auftragschweißen eingesetzt, um komplexe Formen additiv aufzubauen. Am Beispiel eines Tannenbaumprofiles werden unterschiedliche Einflussfaktoren dargestellt. Dazu gehören die Raupengeometrie, die Überlappung einzelner Raupen, die Verwendung unterschiedlicher Aufbaustrategien und die Teilung des Gesamtkörpers in Teilkörper. Der Zielkonflikt wird durch die Herstellung von Probekörpern mit unterschiedlichen Steigungswinkeln an den Seitenflächen verdeutlicht. Die Ergebnisse zeigen eine verbesserte Endformnähe in Bereichen flacher Steigung beim Einsatz kleiner Schweißraupen. Im Vergleich dazu erlauben die Schweißparameter der großen Raupen eine 5-fach höhere Aufbaurate. Bei einer Raupenüberlappung kleiner und großer Raupengeometrien innerhalb einer Lage treten Anbindungsfehler auf. Strategien zur Behebung dieses Fehlers durch Anpassung der Schweißreihenfolge werden in dieser Veröffentlichung aufgezeigt. Diese Erfahrungen werden genutzt, um einen Gesamtkörper aus Teilkörpern unterschiedlicher Raupengeometrien zu fertigen.