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  • Publication
    Mittels Scangineering und Schweiß-Knowhow zum reparierten Umformwerkzeug
    Zum wirtschaftlichen und nachhaltigen Einsatz von Stanz- und Formwerkzeugen ist in der Regel eine Reparatur der verschlissenen Werkzeuge erforderlich. Das Additive Fertigungsverfahren Laser-Powder Directed Energy Depositon (LP-DED) in Kombinationen mit intelligenten Reverse-Engineering-Ansätzen bietet die Möglichkeit, Bauteile materialschonend und effizient zu reparieren.
  • Publication
    Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen von additiv gefertigtem Inconel 939
    ( 2022-12)
    Raute, Maximilian Julius
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    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.
  • Publication
    Transferability of ANN-generated parameter sets from welding tracks to 3D-geometries in Directed Energy Deposition
    ( 2022-11-04)
    Marko, Angelina
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    Bähring, Stefan
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    Raute, Maximilian Julius
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    Directed energy deposition (DED) has been in industrial use as a coating process for many years. Modern applications include the repair of existing components and additive manufacturing. The main advantages of DED are high deposition rates and low energy input. However, the process is influenced by a variety of parameters affecting the component quality. Artificial neural networks (ANNs) offer the possibility of mapping complex processes such as DED. They can serve as a tool for predicting optimal process parameters and quality characteristics. Previous research only refers to weld beads: a transferability to additively manufactured three-dimensional components has not been investigated. In the context of this work, an ANN is generated based on 86 weld beads. Quality categories (poor, medium, and good) are chosen as target variables to combine several quality features. The applicability of this categorization compared to conventional characteristics is discussed in detail. The ANN predicts the quality category of weld beads with an average accuracy of 81.5%. Two randomly generated parameter sets predicted as “good” by the network are then used to build tracks, coatings, walls, and cubes. It is shown that ANN trained with weld beads are suitable for complex parameter predictions in a limited way.
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    Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen additiv gefertigter Ni-Basis-Bauteile
    ( 2022-10-26)
    Raute, Maximilian Julius
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    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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    Prognose von Qualitätsmerkmalen durch Anwendung von KI-Methoden beim "Directed Energy Deposition"
    ( 2022-10)
    Marko, Angelina
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    Bähring, Stefan
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    Raute, Maximilian Julius
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    Dieser Beitrag enthält die Ergebnisse eines im Rahmen der DVS Forschung entwickelten Ansatzes zur Qualitätssicherung im Directed Energy Deposition. Es basiert auf der Verarbeitung verschiedener während des Prozesses gesammelter Sensordaten unter Anwendung Künstlicher Neuronale Netze (KNN). So ließen sich die Qualitätsmerkmale Härte und Dichte auf der Datenbasis von 50 additiv gefertigten Probenwürfel mit einer Abweichung < 2 % vorhersagen. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit des KNN auf eine Schaufelgeometrie untersucht. Auch hier ließen sich Härte und Dichte hervorragend prognostizieren (Abweichung < 1,5 %), sodass der Ansatz als validiert betrachtet werden kann.
  • Publication
    Untersuchung zur Herstellung von Cu-Strukturen mittels Wire Electron Beam Additive Manufacturing
    ( 2022-09)
    Raute, Maximilian Julius
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    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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    Joining 30 mm Thick Shipbuilding Steel Plates EH36 Using a Process Combination of Hybrid Laser Arc Welding and Submerged Arc Welding
    This article presents a cost-effective and reliable method for welding 30 mm thick sheets of shipbuilding steel EH36. The method proposes to perform butt welding in a two-run technique using hybrid laser arc welding (HLAW) and submerged arc welding (SAW). The HLAW is performed as a partial penetration weld with a penetration depth of approximately 25 mm. The SAW is carried out as a second run on the opposite side. With a SAW penetration depth of 8 mm, the weld cross-section is closed with the reliable intersection of both passes. The advantages of the proposed welding method are: no need for forming of the HLAW root; the SAW pass can effectively eliminate pores in the HLAW root; the high stability of the welding process regarding the preparation quality of the weld edges. Plasma cut edges can be welded without lack of fusion defects. The weld quality achieved is confirmed by destructive tests.
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    Material-adapted and process-reliable multi-wire submerged arc welding of large-diameter pipes
    ( 2022-03-07) ; ; ; ;
    Lichtenthäler, Frank
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    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.
  • Publication
    Multiple-Wire Submerged Arc Welding of High-Strength Fine-Grained Steels
    ( 2022)
    Gook, S.
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    Lichtenthäler, F.
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    Stark, M.
    Ensuring the required mechanical-technological properties of welds is a critical issue in the application of multi-wire submerged arc welding process for welding high-strength fine-grained steels. Excessive heat input is one of the main causes for microstructural zones with deteriorated mechanical properties of the welded joint, such as a reduced notched impact strength and a lower structural robustness. A process variant is proposed which reduces the weld volume as well as the heat input by adjusting the welding wire configuration as well as the energetic parameters of the arcs, while retaining the advantages of multi-wire submerged arc welding such as high process stability and production speed.