Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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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.

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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.

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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.

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