Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Flexibles AM ermöglicht wettbewerbsfähige Produktion
    ( 2024-05)
    Müller, Vinzenz
    ;
    Fasselt, Janek Maria
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    Klötzer-Freese, Christian
    ;
    Kruse, Tobias
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    Wagner, Florian
  • Publication
    Laserstrahlauftragschweißen - Einfluss von Schutzgasgemischen auf die Bauteilqualität
    ( 2023-09)
    Kampffmeyer, Dirk
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    Wolters, Michael
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    Raute, Julius
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    Müller, Vinzenz
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    Biegler, Max
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    Rethmeier, Michael
    Im Additive Manufacturing Verfahren Directed Energy Deposition (DED) wird bei der Verarbeitung von Werkzeugstahl in der Regel reines Argon als Schutzgas verwendet. Dabei kann die Verwendung von speziellen Schutzgasgemischen, auch bei geringen Anteilen zugemischter Gase, durchaus die Bauteilqualität positiv beeinflussen. In Vorarbeiten der Messer SE & Co. KGaA zeigte ein gewisser Sauerstoffanteil im Schutzgas die Tendenz, den Flankenwinkel von Schweißspuren beim DED zu verbessern. In der vorliegenden Studie wurde daher detailliert untersucht in wie weit unterschiedliche Schutzgasgemische einen Einfluss auf die Qualität sowie die geometrischen Eigenschaften der additiv gefertigten Strukturen des Werkzeugstahls 1.2709 beim Laser-DED ausüben. Es erfolgten zunächst Testschweißungen in Form von Einzelspuren mit unterschiedlichen Gemischen aus dem Basisschutzgas Argon mit geringen Anteilen verschiedener Gase. Dabei wurde der Einfluss der Zusätze auf die Spurgeometrie und Aufbauqualität untersucht. Auf Basis dieser Vorversuche wurde eine Auswahl vielversprechender Gasgemische getroffen und Detailuntersuchungen in Form von Spuren, Flächen und Quadern unter Zugabe verschiedener Mengen an Zusätzen durchgeführt. Zur Bewertung des Einflusses der Schutzgasbeimengungen wurden der Flankenwinkel, die Porosität und das Gefüge der Proben anhand metallografischer Schliffe untersucht. Es zeigte sich, dass eine Zugabe von geringen Anteilen an Zusätzen zunächst zu einer Vergrößerung des Flankenwinkels im Vergleich zu reinem Argon führt. Mit steigendem Anteil der Gase nimmt dieser Winkel jedoch ab. So kann je nach Menge des zugesetzten Gases eine individuelle Benetzung des aufgetragenen Materials an der Oberfläche erreicht werden. Auch die Porosität ließ sich durch Schutzgasgemische beeinflussen und zeigt ein abweichendes Verhalten im Vergleich zu reinem Argon.
  • Publication
    Adaptive Reparatur-Prozesskette
    ( 2023-02-11)
    Müller, Vinzenz
    ;
    Mönchinger, Stephan
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    Colombo, Giovanna Fiocco
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    Biegler, Max
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    Rethmeier, Michael
    Das additive Fertigungsverfahren Laser-Powder Directed Energy Depositon (LP-DED), kombiniert mit automatisierten Reverse-Engineering-Ansätzen, bietet die Möglichkeit, Bauteile effizient zu reparieren. Durch intelligente Algorithmen können im sogenannten Scangineering 3D-Scandaten von Bauteilen vorverarbeitet, ausgerichtet und parametrisiert werden. Die erkannten geometrischen Defekte werden zur Errechnung der Werkzeugwege für den additiven Aufbau verwendet und mittels des LP-DED-Prozesses aufgeschweißt und repariert. Dabei kommen vor allem die Vorteile der flexiblen Prozessführung, ein hoher Automatisierungsgrad und gute Reproduzierbarkeit zum Tragen.
  • Publication
    Using ultrasonic atomization to recycle aluminium bronze chips for additive laser directed energy deposition
    ( 2023)
    Müller, Vinzenz
    ;
    Fasselt, Janek Maria
    ;
    Kruse, Tobias
    ;
    Klötzer, Christian
    ;
    Kleba-Ehrhardt, Rafael
    ;
    Choma, Tomasz
    ;
    Biegler, Max
    ;
    Rethmeier, Michael
    In the post-processing of large maritime components, a considerable amount of waste in the form of milling and grinding chips is produced. At the same time, additive manufacturing technologies have shown great potential in producing high-volume parts for maritime applications, allowing novel design approaches and short lead times. In this context, this study presents a sustainable approach to recycle and use aluminium bronze waste material, generated during post-processing of large cast ship propellers, as feedstock for laser-powder directed energy deposition. The recycling technology used to produce powder batches is inductive re-melting in combination with ultrasonic atomization. The derived metal powders are characterized using digital image analysis, powder flowability tests, scanning electron microscopy as well as energy dispersive X-ray spectroscopy. Compared to conventional metal powders produced by gas atomization, the recycled material shows excellent sphericity and a powder size distribution with a higher content of finer and coarser particles. Metallographic sections of deposited additively produced specimens show an increased hardness and reduced ductility, but also competitive densities and higher yield and ultimate tensile strength compared to cast material. The process chain shows high potential for the maritime sector to enable circular and sustainable manufacturing.
  • Publication
    Analyse und Nutzung von Aluminium-Bronze-Schleifstaub für das Laser-Pulver-Auftragsschweißen
    ( 2022-12)
    Müller, Vinzenz
    ;
    Marko, Angelina
    ;
    Kruse, Tobias
    ;
    Biegler, Max
    ;
    Rethmeier, Michael
    Die additive Fertigung verspricht ein großes Potenzial für den maritimen Sektor. Insbesondere Directed Energy Deposition (DED) Verfahren bieten die Möglichkeit, großvolumige maritime Bauteile wie Propellernaben oder -schaufeln herzustellen. Bei der Nachbearbeitung solcher Bauteile fällt in der Regel eine große Menge an Schleifabfällen an. Ziel des vorgestellten Projekts ist die Entwicklung einer nachhaltigen zirkulären AM-Prozesskette für maritime Komponenten auf Basis von Aluminiumbronze-Schleifresten. Dazu soll das Material wiederaufbereitet und anschließend als Rohmaterial für die Herstellung von Schiffspropellern im Laser-Pulver DED-Verfahren verwendet werden. In der vorliegenden Arbeit werden Schleifabfälle mittels dynamischer Bildanalyse untersucht und mit kommerziellem DED-Pulver verglichen. Anschließend werden Probengeometrien aus Schleifstaub gefertigt und durch metallographische Schliffe und REM/EDX analysiert.
  • Publication
    Integrated weld preparation designs for the joining of L-PBF and conventional components via TIG welding
    ( 2022-04-18)
    Geisen, Ole
    ;
    Müller, Vinzenz
    ;
    Graf, Benjamin
    ;
    Rethmeier, Michael
    Laser powder bed fusion (L-PBF) of entire assemblies is not typically practical for technical and economic reasons. The build size limitations and high production costs of L-PBF make it competitive for smaller, highly complex components, while the less complex elements of an assembly are manufactured conventionally. This leads to scenarios that use L-PBF only where it's beneficial, and it require an integration and joining to form the final product. For example, L-PBF combustion swirlers are welded onto cast parts to produce combustion systems for stationary gas turbines. Today, the welding process requires complex welding fixtures and tack welds to ensure the correct alignment and positioning of the parts for repeatable weld results. In this paper, L-PBF and milled weld preparations are presented as a way to simplify the Tungsten inert gas (TIG) welding of rotationally symmetrical geometries using integrated features for alignment and fixation. Pipe specimens with the proposed designs are manufactured in Inconel 625 using L-PBF and milling. The pipe assembly is tested and TIG welding is performed for validation. 3D scans of the pipes before and after welding are evaluated, and the weld quality is examined via metallography and computed tomography (CT) scans. All welds produced in this study passed the highest evaluation group B according to DIN 5817. Thanks to good component alignment, safe handling, and a stable welding process, the developed designs eliminate the need for part-specific fixtures, simplify the process chain, and increase the process reliability. The results are applicable to a wide range of components with similar requirements.
  • Publication
    Production environment of tomorrow (ProMo)
    ( 2021)
    Kuschan, Jan
    ;
    Müller, Vinzenz
    ;
    Monchinger, Stephan
    ;
    Heimann, Oliver
    ;
    Niebuhr, Carsten
    ;
    Kabha, Oday
    Small defects in the grain or major damage to a moulded part or tool can bring production to a standstill. SMEs in particular have neither the personnel nor the equipment to repair such damage on their own, so they send it to specialised contractors. The repair process is carried out manually, depending on the accuracy requirements, and is usually completed by a finishing process. This work requires qualified personnel and, at the same time, requires a lot of time in case of larger damages. In this paper we present a way to map the Maintenance, Repair and Operations (MRO) process chain in a partially automated manner. The symbiosis of individual technologies results in a significantly increased efficiency of the MRO process chain, which continues to focus on people and their process knowledge. While Directed Energy Deposition (DED) for the MRO of moulded parts is used widely, usually a high manual effort in measuring the component geometries and teaching of the machine tool paths is necessary. However, there are clear advantages compared to the manufacture of new parts or manual laser welding repair. At the same time, the resource and energy requirements can often be significantly reduced compared to new part production. ProMo focuses on automating the time-consuming machine programming by reducing the number of necessary work steps in CAD/CAM-based program creation. Based on a subsequent robot-guided scan, a digital actual 3D model is generated. Due to intelligent path planning algorithms, no manual programming of the robot is necessary and at the same time it is possible to detect components of different sizes, shapes and covers in this system with a minimum of effort. In addition, the operator passes on elementary information, such as the approach path of the milling head, to the subsequent processes by means of finger gestures and can thus significantly reduce tedious CAM programming steps. Now, the scanned component is transferred to a 3D-CAD model and a target/actual comparison is created for the damaged areas. Those are milled out in a defined manner and then restored using DED.
  • Publication
    Analysis and recycling of bronze grinding waste to produce maritime components using directed energy deposition
    ( 2021)
    Müller, Vinzenz
    ;
    Marko, Angelina
    ;
    Kruse, Tobias
    ;
    Biegler, Max
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    Rethmeier, Michael
    Additive manufacturing promises a high potential for the maritime sector. Directed Energy Deposition (DED) in particular offers the opportunity to produce large-volume maritime components like propeller hubs or blades without the need of a costly casting process. The post processing of such components usually generates a large amount of aluminum bronze grinding waste. The aim of the presented project is to develop a sustainable circular AM process chain for maritime components by recycling aluminum bronze grinding waste to be used as raw material to manufacture ship propellers with a laser-powder DED process. In the present paper, grinding waste is investigated using a dynamic image analysis system and compared to commercial DED powder. To be able to compare the material quality and to verify DED process parameters, semi-academic sample geometries are manufactured.