Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • 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.
  • Publication
    Finite element analysis of in-situ distortion and bulging for an arbitrarily curved additive manufacturing directed energy deposition geometry
    ( 2018)
    Biegler, Max
    ;
    Marko, Angelina
    ;
    Graf, Benjamin
    ;
    Rethmeier, Michael
    With the recent rise in the demand for additive manufacturing (AM), the need for reliable simulation tools to support experimental efforts grows steadily. Computational welding mechanics approaches can simulate the AM processes but are generally not validated for AM-specific effects originating from multiple heating and cooling cycles. To increase confidence in the outcomes and to use numerical simulation reliably, the result quality needs to be validated against experiments for in-situ and post process cases. In this article, a validation is demonstrated for a structural thermomechanical simulation model on an arbitrarily curved Directed Energy Deposition (DED) part: at first, the validity of the heat input is ensured and subsequently, the model's predictive quality for in-situ deformation and the bulging behaviour is investigated. For the in-situ deformations, 3D-Digital Image Correlation measurements are conducted that quantify periodic expansion and shrinkage as they occur. The results show a strong dependency of the local stiffness of the surrounding geometry. The numerical simulation model is set up in accordance with the experiment and can reproduce the measured 3 dimensional in-situ displacements. Furthermore, the deformations due to removal from the substrate are quantified via 3D scanning, exhibiting considerable distortions due to stress relaxation. Finally, the prediction of the deformed shape is discussed in regards to bulging simulation: to improve the accuracy of the calculated final shape, a novel extension of the model relying on the modified stiffness of inactive upper layers is proposed and the experimentally observed bulging could be reproduced in the finite element model.