Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    3D laser metal deposition: Process steps for additive manufacturing
    ( 2018)
    Graf, Benjamin
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    Marko, Angelina
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    Petrat, Torsten
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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 steps for LMD as additive manufacturing technology are 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 the high geometric flexibility needed for additive manufacturing, 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 analyzed based on design of experiments. In the second step, a 3D build-up strategy for cylindrical specimen with high dimensional accuracy is described. Process parameters, travel paths, and cooling periods between layers are adjusted. Tensile tests show that mechanical properties in the as-deposited condition are close to wrought material. As practical example, the fir-tree root profile of a turbine blade is manufactured. The feasibility of LMD as additive technology is evaluated based on this component.
  • Publication
    Prognose der Oberflächenbeschaffenheit für die additive Fertigung mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen
    ( 2018)
    Marko, Angelina
    ;
    Petrat, Torsten
    ;
    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.