Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Qualitätssicherung beim Laser-Pulver-Auftragschweißen

2024-02-01 , Lemke, Josefine

In der modernen Fertigungstechnik spielt der Einsatz von korrosionsbeständigem Stahl eine große Rolle. Die kohlenstoffarme Edelstahllegierung 1.4404 (AISI 316L) ist ein häufig eingesetzter Werkstoff in der additiven Fertigung. Hier kann das Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA), engl. Directed Energy Deposition DED-LB, das weit verbreitete Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) aufgrund höherer Auftragsraten und seiner Flexibilität in einigen Bereichen ergänzen und sogar ersetzen. Mit interessanten Perspektiven in der Bremsscheibenfertigung für Automobile.

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Vorgehensweise zur Auslegung des Laserstrahlschmelzens am Beispiel von Wolframkarbid-Kobalt

2018 , Bergmann, André

Diese Arbeit verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz für die methodische Qualifizierung von Werkstoffen für das Laserstrahlschmelzen am Beispiel von Wolframkarbid-Kobalt. Mit der Entwicklung einer Untersuchungssystematik auf der Basis von statistischen Versuchs-methoden wird die Grundlage für umfassende Analysen der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Einflussfaktoren beim Laserstrahlschmelzen von Wolframkarbid-Kobalt geschaffen. Aus umfassenden Analysen gehen Regressionsmodelle hervor, mit welchen die zu erwartenden Bauteil- und deren Werkstoffeigenschaften prognostiziert und geeignete Prozessparameter für die additive Fertigung von Wolframkarbid-Kobalt WCCo 83/17 entwickelt werden können. Aus den systematischen Analysen werden Erkenntnisse zu den Einflüssen verschiedener Prozessparameter im Laserstrahlschmelzprozess und deren Auswirkungen auf das Arbeitsergebnis bereitgestellt. Es werden auftretende Effekte erklärt und die Bearbeitungsparameter optimiert. Das erlangte Wissen ergänzt das Prozessverständnis zum Laserstrahlschmelzen und trägt zur Erweiterung der Werkstoffpalette bei. Die Vorgehensweise lässt sich auf die Qualifizierung weiterer Werkstoffe für das Laserstrahlschmelzen übertragen.

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Auslegung der additiven Prozesskette

2017 , Petrat, Torsten , Kersting, Robert

Die Additive Fertigung ist ein wichtiger Teil in der zukünftigen Bauteilproduktion. Das Fraunhofer IPK aus Berlin betrachtet diesbezüglich die gesamte Prozesskette, um diese Technologien erfolgreich in den Produktionsablauf zu integrieren. Der Mehrwert für den Kunden steht dabei im Vordergrund von Forschung und Entwicklung.

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Elektronenstrahl schweißt additiv gefertigte Nickel-Superlegierungen

2021 , Raute, Julius , Biegler, Max , Rethmeier, Michael

Die Additive Fertigung ist ideal zur Herstellung und Reparatur komplexer Bauteile aus hochfesten Werkstoffen. Doch es fehlen Fügeverfahren, die Heißrisse vermeiden. Die Lösung heißt Elektronenstrahl.

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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.

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Simulation erlaubt den Einblick beim Auftragsschweißen

2017 , Biegler, Max

Die numerische Simulation hilft, Probleme bei additiven Bauprozessen früh zu erkennen und Optimierungspotentiale auszuschöpfen. Ziel ist die Zahl der nötigen Versuche durch Vorhersagen zu verringern und Prozessgrößen wie Wärmeflüsse und Maßabweichungen zu visualisieren. Heute steht die Simulation in der additiven Fertigung noch am Anfang und soll durch anwendungsorientierte Forschung marktreif werden.

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Laser-Pulver-Auftragschweißen in der additiven Prozesskette für Legierungen aus dem Turbomaschinenbau

2018 , Graf, Benjamin

Additive Prozesse gewinnen immer stärkere Bedeutung in der industriellen Fertigung. Während in den vergangenen Jahren zunächst die Fertigung von Prototypen im Vordergrund stand, werden die additiven Verfahren heute zunehmend als Fertigungsprozess für moderne Bauteile eingesetzt. Dadurch wird eine hohe Produktivität und Flexibilität von der additiven Fertigung gefordert. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auslegung der additiven Prozesskette bestehend aus Selective Laser Melting (SLM) und Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA). Dabei wird untersucht, welche Vorteile und Grenzen diese Prozesskette besitzt. In den Experimenten kommen die Nickelbasislegierung Inconel 718 und die Titanlegierung Ti-6Al-4V zum Einsatz. Anhand unterschiedlicher Testgeometrien werden die Eigenschaften der kombinierten Prozesskette bestimmt. Beschrieben werden die Anbindung des LPA-Materials, der Einfluss auf das SLM-Gefüge, Verzug und die erreichbare Aufbaurate. Zusätzlich werden Aufbaustrategien für den dreidimensionalen Materialauftrag mittels LPA dargestellt. Auf Basis der erarbeiteten Erkenntnisse werden Empfehlungen für den anwendungsorientierten Einsatz der Prozesskette abgeleitet.

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Schritte zur Qualifizierung der Schweißstruktursimulation für die additive Fertigung am Beispiel Laser-Pulver-Auftragsschweißen

2017 , Biegler, Max

Ziel bei der Anwendung von Schweißstruktursimulation in der additiven Fertigung ist die Anzahl an trial-and-error Versuchen für die Einhaltung von Maßhaltigkeit und gewünschten Bauteilqualitäten zu reduzieren. Am Fraunhofer IPK wird in einem mehrjährigen Forschungsprojekt die Vorhersagequalität der Simulation im Hinblick auf Verzug und Eigenspannungen validiert und die Rechenzeit reduziert werden. Das Laser-Pulver-Auftragsschweißen bietet hierfür - durch die im Vergleich zu pulverbettbasierten Verfahren größeren Auftragsraten - 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 zur Validierung einer Schweißstruktursimulation am Aufbau einer Wand aus 20 aufeinanderliegenden Spuren aus Inconel 718 demonstriert. Die phänomenologische Wärmequelle in der Simulation wird anhand von Thermoelementmessungen kalibriert und der mechanische Verzug der Basisplatte wird mit in-situ Messwerten abgeglichen. Anschließend wird die Vorhersagequalität und die Rechenzeit des Modells bewertet.

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Strategien zur Erreichung eines konstanten Volumenaufbaus bei der additiven Fertigung mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen

2016 , Petrat, Torsten , Graf, Benjamin , Gumenyuk, Andrey , Rethmeier, Michael

Der Einsatz von Hochleistungswerkstoffen verlangt nach einer hohen Endformnähe der zu fertigenden Bauteile, um den Aufwand und somit die Kosten für Materialeinsatz und Nachbearbeitung möglichst gering zu halten. Der additive Einsatz in Form des Laser-Pulver-Auftragschweißens bietet hierfür durch den gezielten Materialauftrag ein hohes Potential. Herausforderungen bestehen in Bereichen der Vorhersagbarkeit und der Reproduzierbarkeit des Materialauftrages, sowie der Fertigungszeit. Unterschiedliche Einflüsse bei der Schichterzeugung führen dabei zu Abweichungen von der Soll-Geometrie. Die vorliegenden Untersuchungen behandeln den Einfluss von Spurgeometrie, Spurüberlappung, Verfahrweg und Aufbaureihenfolge auf die entstehende Bauteilform. Die Teilung einer Lage in Rand- und Kernbereich ermöglicht einen konturangepassten Verfahrweg und eine Erhöhung der Endformnähe innerhalb einer Ebene. Die Verwendung unterschiedlicher Spurgrößen bei der Bauteilerzeugung verdeutlicht die Möglichkeiten einer hohen Auftragsrate bei gleichzeitig hoher Formgenauigkeit. Bereits kleine Unterschiede beim Materialauftrag zwischen Kern- und Randbereichen, Start- und Endpunkten sowie in Bereichen des Richtungswechsels führen aufgrund von Fehlerfortpflanzung nach mehreren Lagen zu Abweichungen in der Aufbaurichtung. Kompensierungen mittels angepasster Baustrategien werden aufgezeigt und diskutiert. Die Nickelbasislegierung Inconel 718, die Titanlegierung Ti-6Al-4V sowie der austenitische Stahl 316L sind Bestandteil der vorliegenden Untersuchungen. Die gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen das Potenzial einer angepassten Aufbaustrategie zur reproduzierbaren Erzeugung von Bauteilen am Beispiel unterschiedlicher Körpergeometrien.

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