Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

Filters

8
Reset filters

Settings
Now showing 1 - 8 of 8
  • Publication
    Sensor integration in hybrid additive manufactured parts for real-time monitoring in turbine operations
    ( 2021)
    Uhlmann, Eckart
    ;
    Polte, Julian
    ;
    Kersting, Robert
    ;
    Brunner-Schwer, Christian
    ;
    Neuwald, Tobias
    Real-time monitoring of operation conditions such as tempeatures and vibrations enables efficiency enhancement for maintenance tasks. In energy industry monitoring of critical components such as turbine blades is essential for the operation safety. But the effective recording of critical process data is a challenging task due to the extreme operating conditions. With a hybrid processing approach combining two additive manufacturing technologies new classes of self-monitoring components become possible allowing data acquisition directly inside the component. Using the example of a turbine blade, the hybrid process chain is described. The turbine blade blank is produced via Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) with channels for the integration of high temperature sensors. After integration cavities were closed by Laser Directed Energy Deposition (L-DED) followed by classical milling operations for part finishing. The data acquisition is integrated in state-of-the-art product l ifecycle monitoring (PLM) software to create a digital twin. Evaluation shows that temperature could be successfully monitored at conditions of Π= 550°C.
  • 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
    Laser-Plasma-Auftragschweißen als hybrides Beschichtungsverfahren für hohe Auftragsraten mit geringer thermischer Belastung. Abschlussbericht
    (DVS Media, 2020)
    Brunner-Schwer, Christian
    Moderne Bauteile sind stetig steigenden korrosiven, abrasiven oder thermischen Belastungen ausgesetzt. Kostenintensive Werkstoffe sind notwendig, um mit diesen Belastungen umzugehen. Alternativ besteht durch Beschichtungen die Möglichkeit, Bauteiloberflächen an ausgewählten Stellen vor den Belastungen zu schützen. Das Aufbringen von Beschichtungen ist insbesondere für klein- und mittelständische Unternehmen im Werkzeugbau sowie für Lohnfertiger ein wichtiges Anwendungsfeld. Das Beschichtungsverfahren soll dabei eine hohe Auftragsrate, gute Oberflächenqualität und einen geringen Wärmeeintrag ins Werkstück erreichen. Mit den derzeit verfügbaren Beschichtungstechnologien kann dieses komplexe Anforderungsprofil nur eingeschränkt erfüllt werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, der Industrie ein hybrides Laser-Plasma-Beschichtungs-verfahren zur Verfügung zu stellen, das in der Lage ist hohe Auftragsraten mit einer möglichst geringen thermischen Belastung des Bauteiles zu erreichen. Dadurch eignet sich das Verfahren zum verzugsarmen Beschichten präziser Bauteile und zum Erhalt der Eigenschaften wärmeempfindlicher Werkstoffe. Das hybride Verfahren soll für Beschichtungen zum Verschleiß- und Korrosionsschutz eingesetzt werden. Im Vergleich zu den Einzelprozessen sollen eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit durch größeren Karbidgehalt, sowie verbesserte Korrosionseigenschaften aufgrund besserer Oberflächenqualität erreicht werden. Im Laufe des Projektes wird untersucht, welche Anordnung von Laser- und Plasmaprozess am besten zum Erreichen dieser Ziele geeignet ist. Dabei wird das Verständnis der Laser-Plasma-Interaktion verbessert. Der hybride Beschichtungsprozess soll aufbauend auf den bei KMU bereits vorhandenen Schweißeinrichtungen in die industrielle Anwendung überführt werden können. Es wird eine wirtschaftliche Bewertung des entwickelten Verfahrens erstellt, die KMU eine Investitionsentscheidung ermöglicht.
  • Publication
    Microstructure of Inconel 718 parts with constant mass energy input manufactured with direct energy deposition
    ( 2019)
    Petrat, Torsten
    ;
    Brunner-Schwer, Christian
    ;
    Graf, Benjamin
    ;
    Rethmeier, Michael
    The laser-based direct energy deposition (DED) as a technology for additive manufacturing allows the production of near net shape components. Industrial applications require a stable process to ensure reproducible quality. Instabilities in the manufacturing process can lead to faulty components which do not meet the required properties. The DED process is adjusted by various parameters such as laser power, velocity, powder mass flow and spot diameter, which interact with each other. A frequently used comparative parameter in welding is the energy per unit length and is calculated from the laser power and the velocity in laser welding. The powder per unit length comparative parameter in the DED process has also be considered, because this filler material absorbs energy in addition to the base material. This paper deals with the influence of mass energy as a comparative parameter for determining the properties of additively manufactured parts. The same energy per unit length of 60 J/mm as well as the same powder per unit length of 7.2 mg/mm can be adjusted with different parameter sets. The energy per unit length and the powder per unit length determine the mass energy. The laser power is varied within the experiments between 400 W and 900 W. Energy per unit length and powder per unit length are kept constant by adjusting velocity and powder mass flow. Using the example of Inconel 718, experiments are carried out with the determined parameter sets. In a first step, individual tracks are produced and analyzed by means of micro section. The geometry of the tracks shows differences in height and width. In addition, the increasing laser power leads to a higher dilution of the base material. To determine the suitability of the parameters for additive manufacturing use, the individual tracks are used to build up parts with a square base area of 20×20 mm². An investigation by Archimedean principle shows a higher porosity with lower laser power. By further analysis of the micro sections, at low laser power, connection errors occur between the tracks. The results show that laser power, velocity and powder mass flow must be considered in particular, because a constant mass energy can lead to different geometric as well as microscopic properties.
  • Publication
    Highspeed-plasma-laser-cladding of thin wear resistance coatings: A process approach as a hybrid metal deposition-technology
    ( 2019)
    Brunner-Schwer, Christian
    ;
    Petrat, Torsten
    ;
    Graf, Benjamin
    ;
    Rethmeier, Michael
    Plasma-Transferred-Arc (PTA) welding is a process that enables high deposition rates, but also causes increased thermal load on the component. Laser metal deposition (LMD) welding, on the other hand, reaches a high level of precision and thus achieves comparatively low deposition rates, which can lead to high processing costs. Combining laser and arc energy aims to exploit the respective advantages of both technologies. In this study, a novel approach of this process combination is presented using a PTA system and a 2 kW disk laser. The energy sources are combined in a common process zone as a high-speed plasma laser cladding technology (HPLC), which achieves process speeds of 10 m/min at deposition rates of 6.6 kg/h and an energy per unit length of 39 J/mm.
  • Publication
    Highspeed-Plasma-Laser-Cladding (HPLC) als hybrides Beschichtungsverfahren: Evaluierung des Einsatzpotentials für hohe Prozessgeschwindigkeiten
    ( 2019)
    Brunner-Schwer, Christian
    ;
    Schreiber, Frank
    ;
    Graf, Benjamin
    ;
    Rethmeier, Michael
    Das Plasma-Pulver-Auftragschweißen ist ein Verfahren, dass hohe Auftragraten ermöglicht, jedoch auch eine erhöhte thermische Belastung des Bauteiles verursacht. Laser-Pulver- Auftragschweißen hingegen erreicht eine hohe Präzision und eine geringe Aufmischung, erfordert jedoch ein kostspieliges Hochleistungslasersystem und erreicht im Vergleich nur geringe Auftragraten, was zu hohen Verarbeitungskosten führt. Eine Kopplung von Laser- und Lichtbogenenergie in einer gemeinsamen Prozesszone zielt darauf ab, die jeweiligen Vorteile beider Technologien zu nutzen. Dies betrifft insbesondere die Effizienz der Wärmeausnutzung und der Nutzung des Zusatzwerkstoffs. Es wird ein Plasma-Laser-Hybrid-Prozess als Highspeed-Plasma-Laser-Cladding-Technologie (HPLC) für Beschichtungs- sowie Instandsetzungszwecke vorgestellt. Gezeigt werden Ergebnisse mit Prozessgeschwindigkeiten von 10 m/min bei Laserleistungen von 2 kW, dabei können Flächenraten von mehr als 1 m2/h erreicht werden. Effiziente Beschichtungen von großen Flächen, beispielsweise auf rotationssymmetrischen Bauteilen stellen ein relevantes Anwendungsfeld für diesen Technologieansatz dar. Die Nickelbasislegierung Inconel 625 wird als Korrosionsschutzwerkstoff eingesetzt. Im Rahmen der Verfahrensprüfung werden die hergestellten Beschichtungen einer EDX Messung unterzogen. Prozesscharakteristische Kenngrößen wie z.B. die Auftragrate werden vorgestellt und vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Kennzahlen diskutiert. Zusätzlich werden die Aufmischung, Spurgeometrie und Wärmeeinflusszone der Spuren und Schichten ausgewertet. Im Vergleich zum Laser-Pulver-Auftragschweißen werden Spuren bei hohen Prozessgeschwindigkeiten mit einer hohen Auftragrate erzeugt.