TY - JOUR A1 - Merz, Benjamin A1 - Nilsson, R. A1 - Garske, C. A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Camera-based high precision position detection for hybrid additive manufacturing with laser powder bed fusion N2 - Additive manufacturing (AM) in general and laser powder bed fusion (PBF-LB/M) in particular are becoming increasingly important in the field of production technologies. Especially the high achievable accuracies and the great freedom in design make PBF-LB/M interesting for the manufacturing and repair of gas turbine blades. Part repair involves building AM-geometries onto an existing component. To minimise the offset between component and AM-geometry, a precise knowledge of the position of the component in the PBF-LB/M machine is mandatory. However, components cannot be inserted into the PBF-LB/M machine with repeatable accuracy, so the actual position will differ for each part. For an offset-free build-up, the actual position of the component in the PBF-LB/M machine has to be determined. In this paper, a camera-based position detection system is developed considering PBF-LB/M constraints and system requirements. This includes finding an optimal camera position considering the spatial limitations of the PBF-LB/M machine and analysing the resulting process coordinate systems. In addition, a workflow is developed to align different coordinate systems and simultaneously correct the perspective distortion in the acquired camera images. Thus, position characteristics can be determined from images by image moments. For this purpose, different image segmentation algorithms are compared. The precision of the system developed is evaluated in tests with 2D objects. A precision of up to 30μm in translational direction and an angular precision of 0.021∘ is achieved. Finally, a 3D demonstrator was built using this proposed hybrid strategy. The offset between base component and AM-geometry is determined by 3D scanning and is 69μm. KW - Laser powder bed fusion KW - Additive manufacturing KW - Hybrid repair KW - Machine vision KW - Image processing KW - Position detection PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-568583 DO - https://doi.org/10.1007/s00170-022-10691-5 SP - 1 EP - 16 PB - Springer AN - OPUS4-56858 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Digitale Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung N2 - Der Vortrag stellt das Pilotprojekt Additive Fertigung innerhalb von QI Digital vor und zeigt bisher Erreichtes. Dies umfasst eine digital durchgängige Baujobvorbereitung, automatisierte Datenerhebung und -registrierung sowie die Einbindung des Prozessmonitorings. Seitens der PTB wird ein digitaler Prüfbericht vorgestellt. T2 - QI Forum 2024 CY - Berlin, Germany DA - 09.10.2024 KW - Additive Fertigung KW - Digitale Qualitätssicherung KW - QI Digital PY - 2024 AN - OPUS4-61361 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Poka, Konstantin A1 - Ali, Sozol A1 - Saeed, Waleed A1 - Merz, Benjamin A1 - Epperlein, Martin A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Design and implementation of a machine log for PBF-LB/M on basis of IoT communication architectures and an ETL pipeline N2 - AbstractPowder Bed Fusion with Laser Beam of Metals (PBF-LB/M) has gained more industrial relevance and already demonstrated applications at a small series scale. However, its widespread adoption in various use cases faces challenges due to the absence of interfaces to established Manufacturing Execution Systems (MES) that support customers in the predominantly data-driven quality assurance. Current state-of-the-art PBF-LB/M machines utilize communication architectures, such as OPC Unified Architecture (OPC UA), Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) and Representational State Transfer Application Programming Interface (REST API). In the context of the Reference Architecture Model Industry 4.0 (RAMI 4.0) and the Internet of Things (IoT), the assets, particularly the physical PBF-LB/M machines, already have an integration layer implemented to communicate data such as process states or sensor values. Missing is an MES component acting as a communication and information layer. To address this gap, the proposed Extract Transform Load (ETL) pipeline aims to extract relevant data from the fabrication of each build cycle down to the level of scan vectors and additionally to register process signals. The suggested data schema for archiving each build cycle adheres to all terms defined by ISO/TC 261—Additive Manufacturing (AM). In relation to the measurement frequency, all data are reorganized into entities, such as the AM machine, build cycle, part, layer, and scan vector. These scan vectors are stored in a runtime-independent format, including all metadata, to be valid and traceable. The resulting machine log represents a comprehensive documentation of each build cycle, enabling data-driven quality assurance at process level. KW - FAIR data KW - Data-driven quality assurance KW - Laser powder bed fusion PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-601256 DO - https://doi.org/10.1007/s40964-024-00660-7 SN - 2363-9512 SP - 1 EP - 12 PB - Springer Science and Business Media LLC AN - OPUS4-60125 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Zerbst, Uwe A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Damage development and damage tolerance of structures manufactured by selective laser melting - a review N2 - The additive manufacturing technology of Selective Laser Melting (SLM) experiences a rapid development within an increasing marked of quite different application fields. The properties of SLM materials and structures are influenced by a number of tech-nological parameters such as the metal powder (particle size, homogeneity, cleanliness), the laser tool (power, beam diameter, pulse lengths), the scanning operation (speed, sequence and orientation of melting paths), parameters of the over-all equipment (design and preheating of the base plate, currents and turbulence in the protective gas atmosphere) and, last not least, the hatching strategy including the build-up direction of the structure with respect to the loading direction of the component. For the perspective use of SLM structures as load carrying, safety-relevant components the knowledge of their mechanical properties is necessary. It is essential to understand these in the context of the manufacturing-related features and at the back-ground of the basic characteristics of metallic materials: crystal lattice, microstructure and material defects. The paper provides an overview on factors which affect the mechanical parameters stiffness, strength, ductility, toughness, fatigue crack propagation and fatigue strength in the context of selective laser melting. T2 - FDMD 2017 CY - Lecco, Italy DA - 19.09.2017 KW - Fatigue strength KW - Fracture mechanics KW - Initial crack size KW - Short crack propagation KW - Multiple crack propagation PY - 2017 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-438511 DO - https://doi.org/10.1016/j.prostr.2017.11.071 SN - 2452-3216 VL - 7 SP - 141 EP - 148 PB - ScienceDirect CY - Lecco, Italy AN - OPUS4-43851 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fritzsche, André A1 - Bachmann, Marcel A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Einsatz einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim Laserstrahl-(Hybrid)schweißen dickwandiger Stahlbauteile N2 - Die experimentellen Untersuchungen innerhalb dieses Berichtes zeigen die erfolgreiche Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim Laser-strahl(hybrid)schweißen von ferromagnetischen Stäh-len mit einer Werkstückdicke von bis zu 20 mm. Bis-lang wurde dieses System zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von Aluminiumlegierungen und austenitischen Stählen eingesetzt. Zunächst wur-den die Versuche an Duplexstählen vorgenommen, die jeweils zur Hälfte aus Austenit und Ferrit bestehen. Im Anschluss daran wurden die Versuche auf bis zu 20 mm dicke Werkstücke aus Baustahl erweitert. In-nerhalb der Versuchsreihen wurden die AC-Leistung sowie die Oszillationsfrequenz variiert. Für Werk-stückdicken von 15 mm war eine AC-Leistung von ca. 1 kW notwendig, um die Wurzelüberhöhung in die Bewertungsgruppe B der für laserstrahlgeschweißten Stähle gültigen DIN EN ISO 13919-1:1996-09 einord-nen zu können. Mit zunehmender AC-Leistung wird die Wurzelüberhöhung sukzessive reduziert. Nach erfolg-reicher Erweiterung auf ferromagnetische Werkstoffe wurde die Anwendung der Technologie für das Laser-strahlhybridschweißen demonstriert, indem praxisrele-vante Y-Nähte an 20 mm dicken Baustählen ohne Wurzelüberhöhung einlagig in Wannenlage geschweißt wurden. Trotz der Beeinflussung des Lichtbogens durch das oszillierende Magnetfeld sowie des zusätz-lich zum hydrostatischen Druck zu berücksichtigenden Lichtbogendruckes wurde eine ideale Kompensation auf der Wurzelseite erzielt. Die Erweiterung des Anwendungsspektrums der elekt-romagnetischen Schmelzbadstütze auf ferromagneti-sche Werkstoffe sowie auf das Laserstrahlhybrid-schweißen eröffnet für zukünftige industrielle Anwen-dungen ein großes Potenzial. Das einlagige Schwei-ßen dickwandiger Bauteile mittels Hochleistungslasern wird in Kombination mit der elektromagnetischen Schmelzbadstütze attraktiver. In nachfolgenden Un-tersuchungen wird der Einsatz der elektromagneti-schen Schmelzbadstütze beim Laserstrahlhybrid-schweißen von Pipelinestählen angestrebt, v. a. im Hinblick auf die Spaltüberbrückbarkeit und der me-chanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindungen. Zudem ist beim Schweißen von Duplexstählen der Einsatz von Zusatzwerkstoffen zu berücksichtigen, um das Gleichgewicht zwischen austenitischer und ferritischer Phasen zu stabilisieren. T2 - DVS Congress 2017 CY - Düsseldorf, Germany DA - 26.09.2017 KW - Elektromagnetische Schmelzbadunterstützung KW - Ferromagnetischer Stahl KW - Laserstrahl-(Hybrid)schweißen PY - 2017 SN - 978-3-96144-008-5 VL - 337 SP - 331 EP - 336 PB - DVS Media GmbH CY - Düsseldorf AN - OPUS4-42312 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Localized laser dispersing of titanium-di-boride with pulsed fiber laser N2 - In this paper, titanium-di-boride is dispersed on a cold-working tool steel by use of a pulsed fiber laser with high beam quality to produce separated and elevated surface features. The potential to adjust the geometry as well as the mechanical properties of the produced structures in dependence on the process parameters (pulse power, pulse duration) is described by means of metallographic and topographical investigations. It can be ascertained that very hard (hardness > 1000 HV1) surface features of different shape (spots and short lines) can be produced. They are characterized by a fine-grained microstructure resulting from a rapid solidification and finely dispersed TiB2 particles. Finally, the paper proposes different applications for this structuring technique. T2 - ICALEO 2017 - International congress on applications of lasers & electro-optics CY - Atlanta, GA, USA DA - 22.10.2017 KW - Laser dispersing KW - Titanium-di-boride KW - Surface structuring KW - Laser implantation PY - 2017 AN - OPUS4-42867 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Spranger, Felix A1 - Bachmann, Marcel T1 - Localized laser dispersing of titanium-di-boride with pulsed fiber laser N2 - In this paper, titanium-di-boride is dispersed on a cold-working tool steel by use of a pulsed fiber laser with high beam quality to produce separated and elevated surface features. The potential to adjust the geometry as well as the mechanical properties of the produced structures in dependence on the process parameters (pulse power, pulse duration) is described by means of metallographic and topographical investigations. It can be ascertained that very hard (hardness > 1000 HV1) surface features of different shape (spots and short lines) can be produced. They are characterized by a fine-grained microstructure resulting from a rapid solidification and finely dispersed TiB2 particles. Finally, the paper proposes different applications for this structuring technique. T2 - ICALEO 2017 - International congress on applications of lasers & electro-optics CY - Atlanta, GA, USA DA - 22.10.2017 KW - Laser dispersing KW - Titanium-di-boride KW - Surface structuring KW - Laser implantation PY - 2017 SN - 978-1-940168-1-42 SP - Paper 118, 1 EP - 9 AN - OPUS4-42868 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Build-up strategies for additive manufacturing of three-dimensional Ti-6Al-4V-parts produced by Laser Metal Deposition N2 - Laser metal deposition (LMD) has been applied as coating technology for many years. Today, the technologies capacity to produce 3D depositions leads to a new field of application as additive manufacturing method. In this paper, 3D laser metal deposition of titanium alloy Ti-6Al-4V is studied with special regard to the demands of additive manufacturing. Therefore, only the powder nozzle is used to create the shielding gas atmosphere, which ensures high geometric flexibility. Furthermore, specimen with high aspect ratio and hundreds of layers are manufactured, which represent typical features in additive manufacturing. T2 - ICALEO CY - Atlanta, USA DA - 22.10.2017 KW - Additive manufacturing KW - Ti-6Al-4V KW - Laser Metal Deposition PY - 2017 AN - OPUS4-42865 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Spranger, Felix A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Rethmeier, Michael T1 - Anwendung der Laserimplantation zur Strukturierung verschleißgefährdeter Werkzeuge N2 - In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Aufrechterhaltung eines definierten Reibungs- und Verschleißverhaltens zwischen bewegten Oberflächen für die Sicherheit und Funktionalität eine entscheidende Rolle. Die Oberflächentechnik versucht durch geeignete Verfahren die Randschichten zu ertüchtigen, um Reibung und Verschleiß zu kontrollieren. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch flächige Beschichtungen erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen Oberflächenstrukturierungen breite Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schmierungszustandes bzw. der Kontaktbedingungen. Neben Negativstrukturen bieten ebenfalls erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens. Ihr Einsatz ist aber aufgrund der besonderen Verschleißproblematik erhabener Strukturen momentan limitiert, so dass in der Regel zusätzliche verschleißreduzierende Beschichtungen notwendig werden. In diesem Beitrag wurde das Verfahren der Laserimplantation angewandt, mit dem erhabene und separierte Oberflächenstrukturen hoher Verschleißfestigkeit in einem Fertigungsschritt erzeugbar sind. Das Verfahren basiert auf einem lokalisierten Dispergieren von Hartstoffpartikeln. Hierfür wurde erstmalig ein gepulster Faserlaser mit hoher Strahlqualität zur Erzeugung punkt- und linienförmiger Mikrostrukturen angewandt. Versuche wurden auf dem Kaltarbeitsstahl X153CrMoV12 unter Anwendung von Titandiborid als Hartstoff durchgeführt. Anhand von Härtemessungen konnte gezeigt werden, dass sowohl punkt- als auch linienförmige Strukturen mit Härten über 1000 HV1 und einer feinkörnigen Mikrostruktur mit feinverteilten Hartstoffpartikeln herstellbar sind. Des Weiteren war es möglich, die Implantgeometrien, welche an Querschliffen und durch Weißlichtinterferometeraufnahmen erfasst wurden, durch die Pulsleistung und Pulsdauer zu steuern. T2 - 38. Assistentenseminar der WGF CY - Rabenau, Germany DA - 06.09.2017 KW - Laserimplantation PY - 2018 SN - 978-3-96144-028-3 VL - 342 SP - 24 EP - 33 CY - Düsseldorf AN - OPUS4-47295 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Spranger, Felix A1 - Graf, B. A1 - Schuch, M. A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Rethmeier, Michael T1 - Build-up strategies for additive manufacturing of three dimensional Ti-6Al-4V-parts produced by laser metal deposition N2 - Laser metal deposition (LMD) has been applied as a coating technology for many years. Today, the technologies capacity to produce 3D depositions leads to a new field of application as additive manufacturing method. In this paper, 3D laser metal deposition of titanium alloy Ti-6Al-4V is studied with special regard to the demands of additive manufacturing. Therefore, only the coaxial LMD powder nozzle is used to create the shielding gas atmosphere, which ensures high geometric flexibility. Furthermore, specimen with high aspect ratio and hundreds of layers are manufactured, which represent typical features in additive manufacturing. The presented study contains the following steps: First, cylindrical specimens are manufactured with a standard shell-core build-up strategy and mechanical properties as well as fracture mechanisms are determined. Based on the results, experiments are conducted to improve the build-up strategy and new tensile test specimens are built with the improved strategy. The improved strategy incorporates variable track overlap ratios to achieve a constant growth in the shell and core area. As blanks, lean cylinders comprising more than 240 layers and a height of more than 120mm are manufactured. The specimens are analyzed by X-ray inspection for material defects. Fractured surfaces are observed via scanning electron microscopy and the composition of the surfaces is determined using energy dispersive X-ray spectroscopy. The tensile test results prove mechanical properties close to ASTM F1108 specification for wrought material. KW - Laser metal deposition KW - Ti-6Al-4V KW - Additive manufacturing KW - Titanium alloy KW - Turbine components PY - 2018 DO - https://doi.org/10.2351/1.4997852 SN - 1938-1387 SN - 1042-346X VL - 30 IS - 2 SP - UNSP 022001, 1 EP - 13 PB - Laser Institute of America AN - OPUS4-44655 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Anlagen zur Additiven Fertigung und Einfluss auf die Bauteilqualität N2 - Kurzüberblick zur AM-Anlagentechnik bei metallischen Werkstoffen und Betriebseinflüssen auf die Bauteilqualität am Beispiel Selective-Laser-Melting T2 - Round-Table Zertifizierung additiv gefertigter Druckgeräte CY - Berlin, Germany DA - 04.07.2018 KW - Additive Fertigung KW - Anlagen PY - 2018 AN - OPUS4-45437 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -