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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Automatisierte Optimierung der Energieeffizienz verschalteter Anlagen durch steuernden Eingriff

2023 , Thiele, Gregor

Industrielle Kälteanlagen bestehen aus verschiedenen Komponenten wie Kühltürmen, Kältemaschinen und Wasserkreisläufen. Über Leitsysteme lassen sich Variablen wie Drücke und Temperaturen einstellen. Die Komponenten einzeln energieeffizient zu fahren, führt nicht zum optimalen Betrieb der gesamten Anlage. Die zunehmende Vernetzung von Maschinen und Anlagen ermöglicht eine übergeordnete Orchestrierung der Teilsysteme, die neue Optimierungsaufgaben mit sich bringt. Mit OptTopo stellt dieses Buch einen Algorithmus vor, der auf Basis verschiedenartiger Modelle der Komponenten die effizientesten Werte für das Gesamtsystem berechnet. Die Berücksichtigung der Topologie verschalteter Systeme birgt Potenziale, das Optimierungsproblem zu reduzieren. Die Untersuchung weist die Machbarkeit des Ansatzes nach und zeigt auf, dass im Gegensatz zu konventionellen Ansätzen nach einmaliger Initialisierung beliebig viele Anforderungen ohne erneute Berechnung bedient werden können.

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Analyse und Nutzung von Aluminium-Bronze-Schleifstaub für das Laser-Pulver-Auftragsschweißen

2022-12 , Müller, Vinzenz , Marko, Angelina , Kruse, Tobias , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Die additive Fertigung verspricht ein großes Potenzial für den maritimen Sektor. Insbesondere Directed Energy Deposition (DED) Verfahren bieten die Möglichkeit, großvolumige maritime Bauteile wie Propellernaben oder -schaufeln herzustellen. Bei der Nachbearbeitung solcher Bauteile fällt in der Regel eine große Menge an Schleifabfällen an. Ziel des vorgestellten Projekts ist die Entwicklung einer nachhaltigen zirkulären AM-Prozesskette für maritime Komponenten auf Basis von Aluminiumbronze-Schleifresten. Dazu soll das Material wiederaufbereitet und anschließend als Rohmaterial für die Herstellung von Schiffspropellern im Laser-Pulver DED-Verfahren verwendet werden. In der vorliegenden Arbeit werden Schleifabfälle mittels dynamischer Bildanalyse untersucht und mit kommerziellem DED-Pulver verglichen. Anschließend werden Probengeometrien aus Schleifstaub gefertigt und durch metallographische Schliffe und REM/EDX analysiert.

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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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Historical Paper Documents

2023 , Rögner, Frank-Holm , Schottner, Gerhard , Grählert, Wulf , Gruber, Florian , Fuchs, Theobald , Hügle, Johannes

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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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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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Deutsche Normungsroadmap Circular Economy

2023-01 , Winterhalter, Christoph , Teigeler, Michael , Westerkamp, Dieter

Die deutsche Normungsroadmap Circular Economy unterstützt den Weg von einer linearen in eine zirkuläre Wirtschaft, denn bei dem Vorhaben Stoffkreisläufe zu schließen und damit wertvolle Ressourcen zu sparen, spielen Normen und Standards eine wichtige Rolle. Die Normungsroadmap betrachtet Hemmnisse und Herausforderungen für die Transformation aus Normungsperspektive und benennt die Normungsbedarfe für sieben entscheidende Sektoren der deutschen Wirtschaft.

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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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Additive Fertigung von Funktional Gradierten Materialien für den Verschleißschutz

2022-11-07 , Marquardt, Raphael

Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik in Berlin erforscht die Additive Fertigung von Funktional Gradierten Materialien für Verschleiß- und Korrosionsschutzanwendungen. Damit können Bauteile mit maßgeschneiderten Eigenschaften und verbesserter Lebensdauer vollständig additiv aufgebaut oder auch nachträglich gepanzert werden.

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