Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

Filters

6
Reset filters

Settings
Now showing 1 - 6 of 6
  • Publication
    Investigation on laser cladding of rail steel without preheating
    ( 2021)
    Brunner-Schwer, Christian
    ;
    Biegler, Max
    ;
    Rethmeier, Michael
    The contact between train wheels and rail tracks is known to induce material degradation in the form of wear, and rolling contact fatigue in the railhead. Rails with a pearlitic microstructure have proven to provide the best wear resistance under severe wheel-rail interaction in heavy haul applications. High speed laser cladding, a state-of-the-art surface engineering technique, is a promising solution to repair damaged railheads. However, without appropriate preheating or processing strategies, the utilized steel grades lead to martensite formation and cracking during deposition welding. In this study, laser cladding of low-alloy steel at very high speeds was investigated, without preheating the railheads. Process speeds of up to 27 m/min and laser power of 2 kW are used. The clad, heat affected zone and base material are examined for cracks and martensite formation by hardness tests and metallographic inspections. A methodology for process optimization is presented and the specimens are characterized for suitability. Within the resulting narrow HAZ, the hardness could be significantly reduced.
  • Publication
    Numerische Simulation einer AM-Prozesskette im DED Auftragschweißen
    ( 2019)
    El-Sari, Bassel
    ;
    Biegler, Max
    ;
    Graf, Benjamin
    ;
    Rethmeier, Michael
    Das DED Auftragschweißen ist ein additives Fertigungsverfahren für Metalle, bei dem das Material schichtweise auf ein Substrat aufgetragen wird. Die schnellen Temperaturzyklen rufen Spannungsgradienten im Bauteil hervor. Der schichtweise Aufbau der Bauteile verursacht eine anisotrope Mikrostruktur. Mittels nachgelagerter Wärmebehandlung können diese Effekte verringert werden. Im anschließenden Schritt der Prozesskette wird das additiv hergestellte Bauteil mittels Drahterodieren von dem Substrat abgetrennt. In diesem Beitrag wird eine thermo-mechanische Simulation der gesamten Prozesskette vorgestellt, welche den additiven Aufbau, Wärmebehandlung und das Abtrennen vom Substrat beinhaltet. Anstelle der in der Literatur üblichen schichtweisen Modellierungsstrategie für die DED Simulation wird das gesamte Bauteil in einem Stück vernetzt und der vollständig transiente, schichtweise Materialauftrag über Elementgruppen realisiert. Im Gegensatz zu früheren Simulationen muss der nichtlineare Kontakt zwischen den Schichten nicht berücksichtigt werden, was die Rechenzeiten deutlich verkürzt. Das Modell wurde validiert mittels Abgleiches des Verzugs aus Simulation und Experiment. Die Proben, bestehend aus DIN 1.4404 (AISI 316L), wurden nach jedem Prozessschritt 3D gescannt um den Verzug zu quantifizieren. Zusätzlich wurden Querschnitte und Härtetests nach Vickers von unterschiedlich behandelten Proben durchgeführt, um den Effekt der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die Härte des Bauteils zu untersuchen.
  • Publication
    Resistance spot welding under external load for evaluation of LME susceptibility of zinc coated advanced high strength steel sheets
    ( 2019)
    Frei, Julian
    ;
    Biegler, Max
    ;
    Rethmeier, Michael
    Some zinc coated advanced high strength steels (AHSS), under certain manufacturing conditions, are known to be prone to liquid metal embrittlement (LME) during resistance spot welding. LME is an undesired phenomenon, which can cause both surface and internal cracks in a spot weld, potentially influencing its strength. An effort is made to understand influencing factors of LME better, and evaluate geometry-material combinations regarding their LME susceptibility. Manufacturers benefit from such knowledge because it improves the processing security of the materials. The experimental procedure of welding under external load is performed with samples of multiple AHSS classes with strengths up to 1200 MPa, including dual phase, complex phase and TRIP steels. This way, externally applied tensile load values are determined, which cause liquid metal embrittlement in the samples to occur. In the future, finite element simulation of this procedure gives access to in-situ stress and strain values present during LME formation. The visualization improves the process understanding, while a quantification of local stresses and strains allows an assessment of specific welded geometrie
  • Publication
    Improvement of numerical simulation model setup and calculation time in additive manufacturing-laser-metal-deposition components with an advanced modelling strategy
    ( 2019)
    Biegler, Max
    ;
    Khazan, Pavel
    ;
    Gatzen, Marius
    ;
    Rethmeier, Michael
    Rapid localized heating and cooling during additive manufacturing using laser deposition method (LMD) lead to loss of dimensional accuracy as well as cracking of built parts. Finite-Element welding simulations allow prediction of geometrical deviations and accumulated residual stresses as well as their optimization before conducting experiments. Due to the great length of stacked welds, calculation times for fully transient thermomechanical simulations are currently long, the calculation stability suffers from the high number of contact bodies in the model and the modelling effort is high, as the geometries need to be sliced and positioned layer-wise. In this contribution, an integrated modelling approach is demonstrated for a thin-walled LMD component made from 30 layers of 1.4404 (316L) stainless steel: Instead of the layer-by-layer modelling strategy commonly found in the literature, the whole component mesh is kept in one piece and the fully transient, layer-by-layer material deposition is implemented via element sets. In contrast to prior simulations, nonlinear contact between the layers does not have to be considered, significantly decreasing calculation times. The calculated distortions are compared to recently published, in-situ digital image correlation (DIC) measurements as well as numerical simulations conducted with the established layer-wise modelling strategy to judge result quality. Finally, the improvement in calculation time and ease-of-use is compared between both modelling approaches and conclusions regarding future usage for industrial-scale components are drawn
  • Publication
    Validierung von AM-Laser-Metal-Deposition Simulationen mittels in-situ Verzugsmessungen an der aufgebauten Geometrie
    ( 2018)
    Biegler, Max
    Aufgrund der schnellen, zyklischen Aufheizung und Abkühlung tritt Verzug in Additive Manufacturing (AM) Laser Metal Deposition (LMD) Bauteilen auf und kann die Maßhaltigkeit vermindern, sowie zu Bauteilfehlern beitragen. Numerische Struktursimulation bietet das Potential, Verzug rechnerisch zu optimieren. Zur Etablierung der Simulation werden umfassende experimentelle Daten zum Abgleich, verlässliche Modelle sowie erprobte Arbeitsabläufe benötigt. In diesem Vortrag wird eine neue Messmethodik zur in-situ Verzugsmessung mittels Digital-Image-Correlation (DIC) beim additiven Aufbau einer Wandstruktur aus 1.4404 nichtrostendem Stahl demonstriert. Im Gegensatz zu etablierten Messmethoden, die den Verzug der Substratplatte betrachten, kann mittels DIC direkt an der neu aufgebauten Geometrie gemessen werden. Die gewonnenen Messdaten werden mit den Ergebnissen einer AM-Struktursimulation verglichen und die Übereinstimmungen und Abweichungen speziell im Hinblick auf zukünftige Herausforderungen im Bereich der Simulation diskutiert.
  • Publication
    Vorhersage zur Bauteilmaßhaltigkeit bei der additiven Fertigung mittels Schweißstruktursimulation
    ( 2017)
    Biegler, Max
    ;
    Rethmeier, Michael
    Ziel bei der Anwendung von Schweißstruktursimulation in der additiven Fertigung ist die Anzahl an notwendigen Experimenten bis zur Erreichung von Maßhaltigkeit und gewünschter Bauteilqualität zu reduzieren. Für die Laser-Metal-Deposition besteht - durch die im Vergleich zu pulverbettbasierten Verfahren größeren Auftragsraten und Spurgrößen - die Möglichkeit, schon heute volltransiente thermomechanische Simulationen für kleine Bauteile durchzuführen. Da das Bauteil nicht von Pulver umschlossen ist, kann im Prozess die Wärmeverteilung und der Bauteilverzug gemessen werden. In diesem Vortrag wird der Arbeitsablauf beim additiven Aufbau einer kleinen Struktur aus Inconel 718 demonstriert. Im Experiment werden die Temperaturverteilungen mittels Thermoelementen sowie der Verzug der Bodenplatte durch einen Laserabstandssensor gemessen. Die phänomenologische Wärmequelle in der Simulation wird anhand von Temperaturmessungen und Querschliffen kalibriert und der mechanische Verzug der Basisplatte wird mit in-situ Messwerten abgeglichen. Abschließend wird die Rechenzeit des Modells bewertet und gezeigt wie die Simulation die Bauteilqualität vorhersagen kann.