TY - JOUR A1 - Strobl, Dominic A1 - Unger, Jörg F. A1 - Ghnatios, C. A1 - Klawoon, Alexander A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael A1 - Robens-Radermacher, Annika T1 - Efficient bead-on-plate weld model for parameter estimation towards effective wire arc additive manufacturing simulation N2 - Despite the advances in hardware and software techniques, standard numerical methods fail in providing real-time simulations, especially for complex processes such as additive manufacturing applications. A real-time simulation enables process control through the combination of process monitoring and automated feedback, which increases the flexibility and quality of a process. Typically, before producing a whole additive manufacturing structure, a simplified experiment in the form of a beadon-plate experiment is performed to get a first insight into the process and to set parameters suitably. In this work, a reduced order model for the transient thermal problem of the bead-on-plate weld simulation is developed, allowing an efficient model calibration and control of the process. The proposed approach applies the proper generalized decomposition (PGD) method, a popular model order reduction technique, to decrease the computational effort of each model evaluation required multiple times in parameter estimation, control, and optimization. The welding torch is modeled by a moving heat source, which leads to difficulties separating space and time, a key ingredient in PGD simulations. A novel approach for separating space and time is applied and extended to 3D problems allowing the derivation of an efficient separated representation of the temperature. The results are verified against a standard finite element model showing excellent agreement. The reduced order model is also leveraged in a Bayesian model parameter estimation setup, speeding up calibrations and ultimately leading to an optimized real-time simulation approach for welding experiment using synthetic as well as real measurement data. KW - Proper generalized decomposition KW - Model order reduction KW - Hardly separable problem KW - Additive manufacturing KW - Model calibration KW - Wire arc additive manufacturing PY - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-596502 SN - 0043-2288 SP - 1 EP - 18 PB - Springer AN - OPUS4-59650 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Strobl, Dominic A1 - Unger, Jörg F. A1 - Chady, G. A1 - Klawoon, Alexander A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael A1 - Robens-Radermacher, Annika T1 - Efficient bead-on-plate weld model for parameter estimation towards effective wire arc additive manufacturing simulation N2 - Despite the advances in hardware and software techniques, standard numerical methods fail in providing real-time simulations, especially for complex processes such as additive manufacturing applications. A real-time simulation enables process control through the combination of process monitoring and automated feedback, which increases the flexibil- ity and quality of a process. Typically, before producing a whole additive manufacturing structure, a simplified experiment in form of a bead-on- plate experiment is performed to get a first insight into the process and to set parameters suitably. In this work, a reduced order model for the transient thermal problem of the bead-on-plate weld simulation is devel- oped, allowing an efficient model calibration and control of the process. The proposed approach applies the proper generalized decomposition (PGD) method, a popular model order reduction technique, to decrease the computational effort of each model evaluation required multiple times in parameter estimation, control and optimization. The welding torch is modeled by a moving heat source, which leads to difficulties separating space and time, a key ingredient in PGD simulations. A novel approach for separating space and time is applied and extended to 3D problems allowing the derivation of an efficient separated representation of the tem- perature. The results are verified against a standard finite element model showing excellent agreement. The reduced order model is also leveraged in a Bayesian model parameter estimation setup, speeding up calibrations and ultimately leading to an optimized real-time simulation approach for welding experiment using synthetic as well as real measurement data. KW - Ermüdung PY - 2023 U6 - https://doi.org/10.5281/zenodo.7456813 PB - Zenodo CY - Geneva AN - OPUS4-59651 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Pittner, Andreas A1 - Fabry, Cagtay A1 - Rethmeier, Michael T1 - Automated welding of support structures for offshore wind turbines N2 - Offshore wind energy plays an important role for the desired transition towards a carbon dioxide free industry within the next decades. However, the grounding of the offshore wind plants governs the overall installation process besides bureaucratic bottlenecks. The application of lightweight principles in steel construction, e.g. the usage dissolved load-bearing structures, so called Jackets foundations, offer great potential in reducing the resource consumption, especially with respect to the needed amount of steel. In this context this paper focuses on a fully digitalization of the welding manufacturing and as well as testing chain to enable a fully automated manufacturing as well as quality assessment of tubular nodes as key element of Jackets foundation structures. Furthermore, the relationship between the seam shape geometry and resulting fatigue strength is evaluated by numerical methods incorporating bionic principles. It is shown that tubular nodes can be welded fully automatically taking geometry tolerances into account. Moreover, the seam shape could be manufactured as requested by the numerical models which offers great potential for an extended lifetime. Subsequently, the improvements in resource efficiency and reduction of carbon dioxide emissions are evaluated by a life-cycle-assessment. T2 - THERMEC'2023 International Conference on PROCESSING & MANUFACTURING OF ADVANCED MATERIALS: Processing, Fabrication, Properties, Applications CY - Vienna, Austria DA - 02.07.2023 KW - Offshore Wind energy KW - Automated welding KW - Life cycle assessment KW - Jacket foundations KW - Fatigue life PY - 2023 AN - OPUS4-59501 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Pittner, Andreas A1 - Winterkorn, René A1 - Fabry, Cagtay A1 - Rethmeier, Michael T1 - Life cycle assessment of fusion welding processes considering upstream and downstream process steps N2 - In manufacturing, fusion welding processes consume significant resources, presenting a significant opportunity for reducing environmental impact. Although there is a qualitative understanding of the environmental implications of these processes, a quantitative assessment of key parameters remains complex. This study introduces a welding-specific methodology that employs life cycle assessment (LCA) to quantitatively evaluate the environmental footprint of fusion welding technologies. Our approach identifies and analyses the principal parameters affecting the environmental performance of various welding techniques, including traditional joint welding and additive manufacturing via the Direct Energy Deposition-Arc (DED-Arc) process. Real-time resource usage data is integrated to offer an innovative framework for directly deriving environmental impacts. This research contributes to optimising welding processes by providing a precise and quantifiable measure of their ecological impact. This facilitates the advancement of sustainable manufacturing practices. T2 - Joining Smart Technologies - International Automotive Conference CY - Wels, Austria DA - 10.05.2023 KW - Life Cycle Assessment KW - Arc welding KW - Additive manufacturing KW - DED-Arc PY - 2023 AN - OPUS4-59494 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Pittner, Andreas A1 - Brauser, Stephan A1 - Fabry, Cagtay A1 - Rethmeier, Michael T1 - Herausforderungen und Lösungen für das robotergestützte Schweissen von Stahlrohrknoten für Offshore Wind Jackets N2 - Die Offshore-Windenergie spielt eine wichtige Rolle beim angestrebten Übergang zu einer emissionsfreien Industrie während der nächsten Jahrzehnte. Allerdings beeinflusst die Gründung der Offshore-Windanlagen den gesamten Installationsprozess. Die Anwendung von Leichtbauprinzipien im Stahlbau, wie beispielsweise die Verwendung von aufgelösten Tragstrukturen, sogenannten Jacket-Fundamenten, bietet ein großes Potenzial zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, insbesondere im Hinblick auf die benötigte Stahlmenge. Der Vortrag befasst sich daher mit der vollständigen Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungs- und Prüfkette. Ziel ist es, eine vollautomatische Fertigung sowie Qualitätsprüfung von Rohrknoten zu ermöglichen. Diese stellen ein Schlüsselelement von Jacket-Fundamenten dar. Des Weiteren wird der Zusammenhang zwischen der Geometrie der Schweißnaht und der resultierenden Ermüdungsfestigkeit durch numerische Methoden unter Einbeziehung bionischer Prinzipien bewertet. Es wird gezeigt, dass rohrförmige Knoten unter Berücksichtigung von Geometrietoleranzen vollautomatisch geschweißt werden können. Die Schweißnahtform konnte gemäß den numerischen Modellen hergestellt werden, was ein großes Potenzial für eine verlängerte Lebensdauer bietet. Anschließend erfolgt eine Bewertung der Verbesserungen bei der Ressourceneffizienz und der Verringerung des CO2-Fußabdrucks durch ein Life Cycle Assessment. T2 - Schweissen in der maritimen Technik und im Ingenieurbau CY - Hamburg, Germany DA - 24.05.2023 KW - Offshore Windenergie KW - Fertigung KW - Leichtbau KW - Aufgelöste Tragstrukturen KW - Schweißen KW - Ermüdungsfestigkeit PY - 2023 AN - OPUS4-59498 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Pittner, Andreas A1 - Winterkorn, René A1 - Fabry, Cagtay A1 - Rethmeier, Michael T1 - Life cycle assessment of fusion welding processes strategies and implementation N2 - In manufacturing, fusion welding processes use a lot of resources, which presents an opportunity to reduce environmental impact. While there is a general understanding of the environmental impact of these processes, it is difficult to quantitatively assess key parameters. This study introduces a welding-specific methodology that uses life cycle assessment (LCA) to evaluate the environmental impact of fusion welding technologies. Our approach analyses the main parameters that affect the environmental performance of different welding techniques, including traditional methods and additive manufacturing through the Direct Energy Deposition-Arc (DED-Arc) process. We integrate real-time resource usage data to offer an innovative framework for directly deriving environmental impacts. This research contributes to optimising welding processes by providing a precise and quantifiable measure of their ecological impact, facilitating the advancement of sustainable manufacturing practices. T2 - CEMIVET - Circular Economy in Metal Industries CY - Berlin, Germany DA - 06.06.2023 KW - Life Cycle Assessment KW - Fusion welding KW - Additive manufacturing KW - DED-Arc PY - 2023 AN - OPUS4-59499 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Pittner, Andreas A1 - Winterkorn, René A1 - Fabry, Cagtay A1 - Rethmeier, Michael T1 - Wire arc additive manufacturing of high strength al-mg-si alloys N2 - Direct energy deposition additive manufacturing technologies utilizing an electric arc offer a great potential in generating large volume metal components. However, the selection of process parameters that yield the desired near net shape design as well as the requested mechanical component behavior is not a trivial task due to the complex relationship. Exemplarily for additive manufacturing of high-strength precipitation hardening AlMgSi-aluminum alloy this paper shows the application of a newly developed matching solid welding wire doped with TiB as grain refiner. The correlation between process parameters and component quality is examined analyzing the size and distribution of pores as well as the grain morphology. Furthermore, the influences of different post-weld heat treatments are evaluated to meet the reference mechanical properties of the corresponding wrought material. Finally, the digital integration of the entire additive manufacturing chain enables an overall traceability of the relevant process steps which is the basis for a reliable subsequent quality assessment. T2 - THERMEC'2023 International Conference on PROCESSING & MANUFACTURING OF ADVANCED MATERIALS: Processing, Fabrication, Properties, Applications CY - Vienna, Austria DA - 02.07.2023 KW - Additive Manufacturing KW - DED-Arc KW - Grain refinement KW - High strength AlMgSi aluminium alloys KW - Mechanical properties PY - 2023 AN - OPUS4-59500 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Üstündag, Ömer A1 - Bakir, Nasim A1 - Pittner, Andreas A1 - Gumenyuk, Andrey A1 - Rethmeier, Michael T1 - Einlagiges MSG-Hochleistungsschweißen von dickwandigen Baustählen mit kontaktloser elektromagnetischer Schmelzbadsicherung N2 - Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadsicherung beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badsicherungen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist. Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadsicherung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badsicherungen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badsicherung konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von bis zu 10 mm dicken Blechen die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es, dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeiten und -kosten deutlich. T2 - DVS Congress 2022 - Große Schweißtechnische Tagung CY - Koblenz, Germany DA - 19.09.2022 KW - Elektromagnetische Schmelzbadsicherung KW - Hochleistungsschweißen KW - MSG-Schweißen PY - 2022 SN - 978-3-96144-189-1 VL - 382 SP - 640 EP - 645 PB - DVS Media GmbH AN - OPUS4-56371 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Winterkorn, René A1 - Pittner, Andreas A1 - Rethmeier, Michael T1 - Lichtbogenbasierte additive Fertigung dickwandiger Strukturen aus einer höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen N2 - Die lichtbogenbasierte, additive Fertigung ist dank hoher erreichbarer Aufbauraten und nahezu uneingeschränktem Bauraum zur Fertigung großvolumiger Bauteile prädestiniert. Die Kombination etablierter Maschinenkomponenten aus Robotertechnik, Schweißtechnik und Sensorik ermöglicht den präzisen schichtweisen Materialauftrag. Die Wirkmechanismen zwischen Prozessparametern und den daraus resultierenden mechanisch-technologischen Eigenschaften der additiv gefertigten Bauteile stellen eine Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere auch für dickwandige Bauteile. Bei der Fertigung von Bauteilen aus höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen ist aufgrund der hohen Anfälligkeit für Erstarrungsrisse und der Neigung zu wasserstoffinduzierter Porosität im besonderen Maße auf das Temperaturregime und die gewählte Aufbaustrategie zu achten. Der Einfluss der Prozessparameter auf die Bauteilqualität wurde durch die Analyse der Größe und Verteilung von Poren sowie der resultierenden Festigkeit untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss einer Wärmenachbehandlungsstrategien auf das Festigkeitsverhalten analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass dickwandige Strukturen aus höherfesten Al-Mg-Si-Aluminiumlegierungen mit mechanischen Kennwerten im Bereich des Referenzmaterials mittels MSGLichtbogenverfahren additiv gefertigt werden können. T2 - Additive Fertigung – Werkstoffe – Prozesse – Wärmebehandlung 2022 CY - Bremen, Germany DA - 29.06.2022 KW - WAAM KW - Al-Mg-Si-Legierungen KW - Porosität KW - Wärmenachbehandlung KW - Mechanisch technologische Kennwerte PY - 2022 SP - 169 EP - 181 PB - Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e. V. CY - Bremen AN - OPUS4-56673 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Pittner, Andreas A1 - Winterkorn, René A1 - Fabry, Cagtay A1 - Rethmeier, Michael A1 - Ratkovac, Mirjana A1 - Thiele, Marc A1 - Baeßler, Matthias T1 - Innovative Design- und Fertigungsstrategien zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau N2 - Ziel des Verbundvorhabens „SmartWeld“ ist es, für die schweißtechnische Fertigung von Stahlbaustrukturen exemplarisch am Beispiel von Hohlprofilknoten, welche als designrelevante Elemente von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) einsetzbar sind, die Möglichkeiten des Leichtbaus unter konsequenter Digitalisierung der Fertigungskette aufzuzeigen, um einerseits die Ressourceneffizienz zu forcieren und gleichzeitig wettbewerbsfähige Fertigungsstrategien aufzuzeigen. Innerhalb von „SmartWeld“ werden daher die Möglichkeiten einer wirtschaftlichen Fertigung von Leichtbau-Gründungsstrukturen am Beispiel aufgelöster Tragstrukturen (Jackets) aufgezeigt. Eine lastgerechte Auslegung der Schweißverbindungen nach bionischen Prinzipien ermöglicht, weitere Einsparpotenziale an Ressourcen bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer zu erschließen. Die Ausnutzung konstruktiver Prinzipien des Leichtbaus zur Erzeugung innovativer und ressourcenschonender Produkte erfordert den Einsatz digitaler Werkzeuge in der Designphase, der virtuellen Absicherung, der Fertigung und Qualitätsüberwachung sowie nachgelagerten Bauteilprüfung zur Abbildung der Nutzungsphase. Im Rahmen der Arbeiten wird daher der gesamte Produktentstehungs- und Prüfprozess betrachtet. Dies beinhaltet das Design im Kontext des konstruktiven Leichtbaus, den schweißtechnischen Fertigungsprozess, die Bauteilprüfung sowie den Transfer der Ergebnisse in die Industrie durch serientaugliche Demonstratoren. Der Fokus der Arbeiten ist, die Fertigung auch im Umfeld eines für großskalige Stahlstrukturen üblichen hohen Individualisierungsgrades schweißtechnisch zu automatisieren und das Leichtbaupotenzial gezielt umzusetzen. Die Vorgaben aus der Designphase hinsichtlich einer lastgerechten Gestaltung bzw. Implementierung bionischer Ansätze können so gezielt durch einen adaptiven, automatisierten Schweißprozess eingestellt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Ermüdungs¬festigkeit und damit Produktlebensdauer, wodurch die Strukturen dünnwandiger ausgeführt und Ressourcen sowie CO2 eingespart werden können. T2 - 9. Forum Leichtbau - Fortschrittliche Fertigungstechnologien und Werkstoffe für den Klimaschutz CY - Berlin, Germany DA - 29.09.2022 KW - Offshore Windenergieanlagen KW - Gründungsstrukturen KW - Leichtbau KW - Bionik KW - Automatisierte schweißtechniche Fertigung PY - 2022 AN - OPUS4-56655 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -