Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen heißrissgefährdeter Nickelbasis-Superlegierungen mittels statistischer Versuchsplanung

2020 , Raute, Julius , Jokisch, Torsten , Marko, Angelina , Rethmeier, Michael

Nickelbasis-Superlegierungen sind seit vielen Jahren in unterschiedlichen Industrieanwendungen im Einsatz. Aufgrund der großen Heißrissneigung ist das Schweißen dieser Werkstoffe jedoch bei einer Vielzahl von Legierungen problematisch. Neue Arbeiten auf dem Gebiet zeigen, dass entgegen den gängigen Theorien auch reduzierte Schweißgeschwindigkeiten eine Tendenz zur Verringerung der Rissneigung aufweisen. Bisher existieren jedoch kaum Erkenntnisse zum Prozessverhalten in diesem Parameterbereich. In dieser Arbeit wird daher der Einfluss der relevanten Prozessparameter beim Elektronenstrahlschweißen (EBW) auf die Nahtgestalt im Bereich geringer Vorschubgeschwindigkeiten untersucht. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse soll ein Ansatz zum rissfreien Fügen von komplexen Nickelbasis-Superlegierung gebildet werden. Die praktische Umsetzbarkeit wird abschließend anhand einiger Probeschweißungen an einem besonders heißrissgefährdeten Werkstoff demonstriert. Um fehlerfreie Verbindungen zu ermöglichen, wurden zunächst die relevanten Parameter für die Einstellung von Nahtbreite, Einschweißtiefe, Aspektverhältnis und Nahtfläche anhand einer Versuchsreihe mit 17 Blindschweißungen auf einer 12 mm dicken Platte aus Inconel 718 bestimmt. Die genaue Beschreibung des Einflusses der als signifikant identifizierten Faktoren erfolgte über die Anwendung einer Regressions- und Varianzanalyse. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einschweißtiefe, die Nahtbreite, das Aspektverhältnis sowie die Nahtfläche vorrangig über den Strahlstrom, die Fokuslage sowie den Vorschub beeinflusst werden können. Auf Basis der gebildeten statistischen Modelle erfolgte die Vorhersage geeigneter Parameter für eine finale Versuchsreihe. Die abschließenden Demonstratorschweißungen wurden exemplarisch an einer Nickelbasis-Gusslegierung mit besonders hohem Ausscheidungsphasenanteil durchgeführt. Hierfür wurden Schweißungen im I- Stoß an 6,5 mm und 10 mm dicken Blechen ausgeführt. Trotz der mangelnden Schweißeignung und dem hohen Anteil an Ausscheidungsphase des Werkstoffes, zeigten sich nach Optimierung der Prozessparameter keine Heißrisse mehr.

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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.

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Deutsche Normungsroadmap Künstliche Intelligenz

2020 , Adler, R. , Kolomiichuk, Sergii , Hecker, Dirk , Lämmel, Philipp , Ma, Jackie , Marko, Angelina , Mock, Michael , Nagel, Tobias , Poretschkin, Maximilian , Rennoch, Axel , Röhler, Marcus , Ruf, Miriam , Schönhof, Raoul , Schneider, Martin A. , Tcholtchev, Nikolay , Ziehn, Jens , Böttinger, Konstantin , Jedlitschka, Andreas , Oala, Luis , Sperl, Philip , Wenzel, Markus , et al.

Die deutsche Normungsroadmap Künstliche Intelligenz (KI) verfolgt das Ziel, für die Normung Handlungsempfehlungen rund um KI zu geben, denn sie gilt in Deutschland und Europa in fast allen Branchen als eine der Schlüsseltechnologien für künftige Wettbewerbsfähigkeit. Die EU geht davon aus, dass die Wirtschaft in den kommenden Jahren mit Hilfe von KI stark wachsen wird. Umso wichtiger sind die Empfehlungen der Normungsroadmap, die die deutsche Wirtschaft und Wissenschaft im internationalen KI-Wettbewerb stärken, innovationsfreundliche Bedingungen schaffen und Vertrauen in die Technologie aufbauen sollen.

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Laser Welding of SLM-Manufactured Tubes Made of IN625 and IN718

2019 , Jokisch, Torsten , Marko, Angelina , Gook, Sergej , Üstündag, Ömer , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

The advantage of selective laser melting (SLM) is its high accuracy and geometrical flexibility. Because the maximum size of the components is limited by the process chamber, possibilities must be found to combine several parts manufactured by SLM. An application where this is necessary, is, for example, the components of gas turbines, such as burners or oil return pipes, and inserts, which can be joined by circumferential welds. However, only a few investigations to date have been carried out for the welding of components produced by SLM. The object of this paper is, therefore, to investigate the feasibility of laser beam welding for joining SLM tube connections made of nickel-based alloys. For this purpose, SLM-manufactured Inconel 625 and Inconel 718 tubes were welded with a Yb:YAG disk laser and subsequently examined for residual stresses and defects. The results showed that the welds had no significant influence on the residual stresses. A good weld quality could be achieved in the seam circumference. However, pores and pore nests were found in the final overlap area, which meant that no continuous good welding quality could be accomplished. Pore formation was presumably caused by capillary instabilities when the laser power was ramped out.

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