Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Adaptive Reparatur-Prozesskette

2023-02-11 , Müller, Vinzenz , Mönchinger, Stephan , Colombo, Giovanna Fiocco , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Das additive Fertigungsverfahren Laser-Powder Directed Energy Depositon (LP-DED), kombiniert mit automatisierten Reverse-Engineering-Ansätzen, bietet die Möglichkeit, Bauteile effizient zu reparieren. Durch intelligente Algorithmen können im sogenannten Scangineering 3D-Scandaten von Bauteilen vorverarbeitet, ausgerichtet und parametrisiert werden. Die erkannten geometrischen Defekte werden zur Errechnung der Werkzeugwege für den additiven Aufbau verwendet und mittels des LP-DED-Prozesses aufgeschweißt und repariert. Dabei kommen vor allem die Vorteile der flexiblen Prozessführung, ein hoher Automatisierungsgrad und gute Reproduzierbarkeit zum Tragen.

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Retaining Mechanical Properties of GMA-Welded Joints of 9%Ni Steel Using Experimentally Produced Matching Ferritic Filler Metal

2022-11-30 , El-batahgy, Abdel-monem , Elkousy, Mohamed Raafat , Al-Rahman, Ahmed Abd , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael , Gook, Sergej

Motivated by the loss of tensile strength in 9%Ni steel arc-welded joints performed using commercially available Ni-based austenitic filler metals, the viability of retaining tensile strength using an experimentally produced matching ferritic filler metal was confirmed. Compared to the austenitic Ni-based filler metal (685 MPa), higher tensile strength in gas metal arc (GMA) welded joints was achieved using a ferritic filler metal (749 MPa) due to its microstructure being similar to the base metal (645 MPa). The microstructure of hard martensite resulted in an impact energy of 71 J (−196 °C), which was two times higher than the specified minimum value of ≥34 J. The tensile and impact strength of the welded joint is affected not only by its microstructure, but also by the degree of its mechanical mismatch depending on the type of filler metal. Welds with a harder microstructure and less mechanical mismatch are important for achieving an adequate combination of tensile strength and notched impact strength. This is achievable with the cost-effective ferritic filler metal. A more desirable combination of mechanical properties is guaranteed by applying low preheating temperature (200 °C), which is a more practicable and economical solution compared to the high post-weld heat treatment (PWHT) temperature (580 °C) suggested by other research.

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Prognose von Qualitätsmerkmalen durch Anwendung von KI-Methoden beim "Directed Energy Deposition"

2022-10 , Marko, Angelina , Bähring, Stefan , Raute, Maximilian Julius , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

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.

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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

2022-08-04 , Gook, Sergej , Midik, Ahmet , Biegler, Max , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

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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Mittels Scangineering und Schweiß-Knowhow zum reparierten Umformwerkzeug

2022-12-19 , Biegler, Max , Mönchinger, Stephan , Müller, Vinzenz , Rethmeier, Michael

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.

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Transferability of ANN-generated parameter sets from welding tracks to 3D-geometries in Directed Energy Deposition

2022-11-04 , Marko, Angelina , Bähring, Stefan , Raute, Maximilian Julius , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

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 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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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 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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Laserstrahlhybridschweißen von Türmen für Windkraftanlagen

2022-08-29 , Üstündag, Ömer , Bakir, Nasim , Brunner-Schwer, Christian , Knöfel, Frieder , Gook, Sergej , Rethmeier, Michael , Gumenyuk, Andrey

Das Laserstrahlhybridschweißen ist beim Schweißen von Türmen für Windkraftanlagen eine Alternative zum Unterpulverschweißen von Dickblechen in Mehrlagentechnik und bietet hier ökonomische und ökologische Vorteile. Der industrielle Einsatz des Verfahrens ist jedoch durch prozessspezifische Herausforderungen eingeschränkt. Die im Beitrag beschriebene kontaktlose elektromagnetische Badstütze dient zur Erweiterung des Verfahrenspotenzials im Dickblechbereich >15 mm.

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