Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen von additiv gefertigtem Inconel 939

2022-12 , Raute, Maximilian Julius , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Hochfeste Nickelbasislegierungen wie Inconel 939 spielen eine wesentliche Rolle im modernen Turbinenbau. Additive Fertigungstechnologien eröffnen hierbei neue Möglichkeiten für die Verarbeitung, jedoch fehlen verlässliche Fügeprozesse für die Absicherung der additiven Prozesskette im Bereich Neuteilfertigung und Instandsetzung. Insbesondere Heißrisse stellen eine große Herausforderung an die Fügetechnik. Die vorliegende Untersuchung befasst sich daher mit dem Verhalten von additiv gefertigten Blechen aus Inconel 939 beim Elektronenstrahlschweißen. Es werden grundlegende Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Härte und Rissneigung betrachtet und Ansätze für eine Optimierung auf Basis statistischer Versuchsplanung aufgezeigt. Hierbei erfolgt eine Einteilung der Risse nach bestimmten Nahtbereichen. Risse am Nahtkopf können durch die Faktoren Vorschub und Streckenenergie sowie die Härte des Schweißgutes beeinflusst werden. Risse im Bereich der parallelen Nahtflanken stehen hingegen im Zusammenhang mit der Härte der Wärmeinflusszone. Ein abschließender Vergleich der angepassten Parameter mit der Ausgangssituation zeigt, dass durch Anwendung der statistischen Optimierung eine deutliche Reduzierung der Rissneigung erreicht werden kann.

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Untersuchung zur Herstellung von Cu-Strukturen mittels Wire Electron Beam Additive Manufacturing

2022-09 , Raute, Maximilian Julius , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Das Additive Manufacturing gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Fertigung metallischer Bauteile im industriellen Umfeld. Hierbei wird zunehmend auch auf drahtförmige Ausgangswerkstoffe gesetzt, da diese Vorteile im Handling bieten, bereits in der Industrie etabliert sind und sich in der Regel durch geringere Beschaffungskosten auszeichnen. In den letzten Jahren entwickelte sich neben den bereits im großen Umfeld untersuchten Wire-DED-Verfahren auch eine Prozessvariante unter Nutzung des Elektronenstrahls zur industriellen Marktreife. Dabei zeigt die als Wire Electron Beam Additive Manufacturing bezeichnete Technologie besondere Vorteile gegenüber anderen, zumeist Laser-oder Lichtbogen-basierten DED-Prozessen. Das Verfahren bietet vor allem Potenzial für die Verarbeitung von hochleitfähigen, reflektierenden oder oxidationsgefährdeten Werkstoffen. Insbesondere für die Herstellung von Bauteilen aus Kupferlegierungen zeigt sich der Elektronenstrahl als besonders geeignet. Um das Verfahren einem breiten Anwenderkreis in der Industrie zugänglich zu machen, fehlen jedoch übergreifende Daten zu Leistungsfähigkeit, Prozessgrenzen und Anwendungsmöglichkeiten. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit dieser Problemstellung am Beispiel zweier Cu-Werkstoffe. Dabei werden ein korrosionsbeständiger Werkstoff aus dem maritimen Bereich sowie eine Bronze mit guten Verschleißeigenschaften aus dem Anlagenbau getestet. Über mehrstufige Testschweißungen wurden die physikalisch möglichen Prozessgrenzen ermittelt und Rückschlüsse über die Eignung der Parameter zum additiven Aufbau gezogen. Hierfür wurden zunächst optimale Bereiche für den Energieeintrag anhand von Volumenenergie sowie mögliche Schweißgeschwindigkeiten untersucht. Anschließend wurde die Skalierbarkeit des Prozesses anhand von Strahlstrom und Drahtvorschub getestet. Als wesentliche Zielgrößen wurden dabei Spurgeometrie, Aufmischung und Härte herangezogen. Die Eignung der ermittelten Parameter wurde im letzten Schritt exemplarisch anhand einer additiven Testgeometrie in Form eines Zylinders nachgewiesen.

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Potentials of Design Thinking for knowledge transfer of Model-Based Systems Engineering

2022 , Manoury, Marvin Michael , Horländer, Toni , Zimmermann, Thomas

Industrial products are becoming increasingly complex due to the use and development of mechatronic systems. This increasing complexity is addressed by virtual representations of the systems in the form of interdisciplinary models. Model-Based Systems Engineering (MBSE) supports product development from the early development phase through validation, verification and integration up to later life cycle phases of the product by means of system modeling.Typical drivers for innovations in the industrial environment are business viability, technology driven feasibility and human driven desirability. While business viability and feasibility are considered in most product development processes and innovation driven projects, the human factor is often neglected in this context. This is addressed by a MBSE Capability and Maturation Matrix (CMM), which consists of capabilities for the acquisition and mastering of the MBSE competencies. The authors have considered Design Thinking as a feasible approach to transfer MBSE knowledge and thus support this acquisition MBSE competencies. This publication shall present the first findings on the application of Design Thinking for the creation of a user-centered MBSE introduction event. This event shall be used in further iterative steps to teach non-experts in the MBSE field the required competencies for their work and thus support the CMM development capability.

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OptTopo: Automated set-point optimization for coupled systems using topology information

2022 , Thiele, Gregor , Johanni, Theresa , Sommer, David , Eigel, Martin , Krüger, Jörg

The manufacturing sector has witnessed a rapid rise in the importance of energy-efficient operation. For finding optimal set-points for industrial facilities, optimization problems of increasing complexity occur. Key challenges are the leak of derivative information and the curse of dimensionality. For systematic reduction of the search-space by decomposition of the model, a methodology for the inclusion of topology knowledge in the optimization procedure is developed. An implementation of OptTopo (Optimization based on Topology), embedded in a testbed, demonstrates its advantages compared to popular out-of-the-box-optimization. OptTopo could be integrated in energy management software offering advanced set-point control for complex facilities.

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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.

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Funktional gradierte Materialien auf Basis von Stellite und Stahl im Laserpulver-Auftragschweißen

2022-06 , Marquardt, Raphael , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

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Redundancy Concepts for Real-Time Cloud- and Edge-based Control of Autonomous Mobile Robots

2022 , Nouruzi-Pur, Jan , Lambrecht, Jens , Nguyen, The Duy , Vick, Axel , Krüger, Jörg

Deploying navigation algorithms on an edge or cloud server according to the Software-as-a-Service paradigm has many advantages for autonomous mobile robots in indus-trial environments, e.g. cooperative planning and less onboard energy consumption. However, outsourcing corresponding real-time critical control functions requires a high level of reliability, which cannot be guaranteed either by modern wireless networks nor by the outsourced computing infrastructure. This work introduces redundancy concepts, which enable real-time capability within these uncertain infrastructures by providing redundant computation nodes, as well as robot-controlled switching between them. Redundancies can vary regarding their physical location, robot behavior during the switchover process and degree of activeness while quality of service concerning the primary controller is sufficient. In the case that fallback redun-dancies are not continuously active, when a disturbance occurs an initial state estimation of the robot pose has to be provided and an activation time has to be anticipated. To gain some insights on expected behavior, redundant computation nodes are deployed locally on the robot and on an outsourced computation node and consequently evaluated empirically. Quantitative and qualitative results in simulation and a real environment show that redun-dancies help to significantly improve the robot-trajectory within an unreliable network. Moreover, resource-saving redundancies, which are not continuously active, can robustly take over control by using an estimated state.

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Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen additiv gefertigter Ni-Basis-Bauteile

2022-10-26 , Raute, Maximilian Julius , Marquardt, Raphael , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Die vorliegende Untersuchung befasst sich mit dem Einfluss des Additive Manufacturing auf die Schweißeignung von Bauteilen aus Inconel 718. Hierfür wurden Proben mittels DED und L-PBF hergestellt und ihr Verhalten in Blindschweißversuchen anhand eines Vergleichs mit konventionellen Gussblechen untersucht. Im zweiten Schritt wurden die verschiedenen additiv hergestellten Proben mit dem Gussmaterial im I-Stoß sowie untereinander verschweißt. Als Schweißverfahren wurde für alle Proben das Elektronenstrahlschweißen angewandt. Zur Auswertung wurde anhand von Schliffen das Nahtprofil vermessen und die Proben auf Poren und Risse untersucht. Zusätzlich wurde die Dichte vermessen und eine Prüfung auf Oberflächenrisse durchgeführt. Das AM-Material zeigte dabei Unterschiede in Nahtform und Defektneigung im Vergleich zum Gusswerkstoff. Insbesondere die DED-proben neigten unter bestimmten Parameterkonstellationen verstärkt zu Porenbildung. Risse konnten nicht beobachtet werden. Trotz auftretender Nahtunregelmäßigkeiten wurde in den kombinierten AM-Schweißproben die Bewertungsgruppe C erreicht. Eine Prüfung der bestehenden Regelwerke zur Schweißnahtbewertung anhand der gewonnenen Erkenntnisse zu additiv gefertigten Proben im Elektronenstrahlschweißprozess zeigte keinen Ergänzungsbedarf.

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Material-adapted and process-reliable multi-wire submerged arc welding of large-diameter pipes

2022-03-07 , Gook, Sergej , El-Sari, Bassel , Biegler, Max , Rethmeier, Michael , Lichtenthäler, Frank , Stark, Michael

Ensuring the required mechanical-technological properties of welds is a critical issue in the application of multi-wire submerged arc welding processes in the manufacture of largediameter pipes made of high-strength fine-grained steels of grade X70 and higher according to API 5L. Excessive heat input of up to 10 kJ/mm is one of the main causes of the formation of microstructural areas in the heat-affected zone with deteriorated mechanical properties, such as impact toughness and tensile strength. In this work, a variant of a five-wire submerged arc welding process is proposed that reduces the weld volume and the heat input, while retaining the high process stability and production speed of multi-wire submerged arc welding. By adapting the welding wire configuration of a five-wire submerged arc welding process and the energetic parameters of the arcs, the high penetration depth of approx. 24 mm and a 10 % reduction in the weld cross-section could be achieved compared to the usual process configuration. This effect was transformed into a higher welding speed, which led to a reduction in the heat input. A concept for process monitoring is proposed in order to maintain constant manufacturing quality in large-diameter pipe production. In addition to the analysis of electrical process signals such as welding current and welding voltage, acoustic process monitoring using vibro-acoustic sensors provides reliable information on the stability of the welding process.

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Design and Validation of an Adaptive Force Control Algorithm with Parameter Estimation Unit for Electromechanical Feed Axis

2022 , Sewohl, André , Norberger, Manuel , Sigg, Stefan , Schlegel, Holger , Dix, Martin

Production technology is characterized by the use of electromechanical feed axes, for which the concept of cascade control has become established. The concept is based on linear control engineering. It is not suitable for the control of process forces, which is associated with nonlinearities. Here, adaptive control algorithms from the field of higher control engineering represent a promising approach for improvements of manufacturing strategies and processes in terms of stability, quality, and efficiency. This can also ensure in reducing the number of parts rejected due to bad quality and thus aiding as a significant economic benefit. In this paper, the development of an adaptive control concept that automatically reacts to different and changing environmental conditions during the process is presented. The digital, parameter-adaptive controller consists of a recursive online parameter estimation unit, the controller design procedure, which is based on the setting rule for the symmet ric optimum, and the control algorithm. The functionality of the adaptive control concept is demonstrated in simulation and validated by means of experiments on a test setup. It is real-time capable and implemented directly on the machine control together with all calculation algorithms.

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