TY - CONF A1 - Marquardt, R. A1 - Bähring, S. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Künstliche Neuronale Netze zur Qualitätsprognose von Funktional Gradierten Materialien im laserbasierten Directed Energy Deposition N2 - Durch pulverbasiertes Directed-Energy Deposition lassen sich Gradierungen fertigen, um diskrete Materialübergänge zu vermeiden und die Lebensdauer von Hartschichten zu erhöhen. Die Kombination aus Stahl als Basiswerkstoff und einer verschleiß- und korrosionsbeständigen Co-Cr Legierung verspricht durch Vermeiden von Spannungskonzentrationen das Verhindern von Abplatzungen und Rissen in der Schutzschicht. Um die Qualität des gefertigten Bauteils zu beurteilen, liegen für solche Funktional Gradierten Materialien (FGM) wenig Erkenntnisse vor. Daher wird im Rahmen dieser Studie eine Methodik erarbeitet, um die relative Dichte eines Funktional Gradierten Materials auf Stahl und Co-Cr Basis mittels Maschinendaten zu bestimmen. Anschließend wird unter Einsatz eines künstlichen neuronalen Netzes anhand von Sensordaten die relative Dichte vorhergesagt. Das trainierte Netz erreicht eine Vorhersagegenauigkeiten von 99,83%. Abschließend wird eine Anwendung anhand von einem Demonstrator gezeigt. T2 - 3. Fachtagung Additive Manufacturing CY - Halle, Germany DA - 05.10.2023 KW - Directed Enery Deposition KW - Künstliche Neuronale Netze KW - Additive Manufacturing KW - DED KW - KI KW - AM PY - 2023 SP - 1 EP - 8 PB - SLV Halle AN - OPUS4-58692 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - El-Sari, B. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Verbesserung der Übertragbarkeit eines künstlichen neuronalen Netzes zur Qualitätsvorhersage beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stählen N2 - Eine typische Automobilkarosserie kann bis zu 5000 Widerstandspunktschweißverbindungen aufweisen, welche hohen Qualitätsanforderungen genügen müssen. Daher ist eine durchgehende Prozessüberwachung unerlässlich. Die Transformation zur E-Mobilität in der Automobilindustrie und die damit einhergehende Reichweitenproblematik treiben die Entwicklung und Einführung neuer hochfester Stähle an. Dies resultiert in einem gesteigerten Fertigungsaufwand hinsichtlich einer stabilen Prozess-führung in der Fügetechnik. Um diesen Anstieg an Komplexität zu bewältigen, sind die Methoden der künstlichen Intelligenz ein geeignetes Mittel. Mit ihnen kann, durch Auswertung der Prozessparameter und -signale, die individuelle Schweißpunktqualität sichergesellt werden. Die Vorhersagegenauigkeit von neuen Daten, also das extrapolieren, stellt für die meisten Algorithmen eine große Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein künstliches neuronales Netz zur Vorhersage des Punktdurchmessers von Widerstandspunktschweißungen anhand von Prozessparametern implementiert. Die Vorhersagegenauigkeit und Extrapolationsfähigkeit des Modells wird durch die Auswertung des dynamischen Widerstandssignals verbessert. Um die Extrapolationsfähigkeit zu untersuchen, wird die Vorhersagegenauigkeit des Modells mit Daten getestet, die sich in Bezug auf den Werkstoff und der Beschichtungszusammensetzung deutlich von den Trainingsdaten unterscheiden. Dazu wurden mehrere Schweißexperimente mit Werkstoffen verschiedener Hersteller durchgeführt und nur ein Teil der Daten in das Training einbezogen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen den positiven Einfluss der Prozesssignale auf die Robustheit des Modells und die Skalierbarkeit der Algorithmen künstlicher neuronaler Netze auf Daten außerhalb des Trainingsraums. T2 - DVS Congress 2023 Große Schweißtechnische Tagung CY - Essen, Germany DA - 11.09.2023 KW - Widerstandspunktschweißen KW - Hochfester Stahl KW - Künstliche Intelligenz KW - Neuronales Netz KW - Fügequalität PY - 2023 SN - 978-3-96144-230-0 SP - 772 EP - 779 AN - OPUS4-58693 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Rethmeier, Michael A1 - Artinov, Antoni A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Bakir, Nasim A1 - Üstündag, Ömer A1 - Bachmann, Marcel A1 - Gumenyuk, Andrey T1 - The bulging effect and its relevance in high power laser beam welding N2 - The present work deals with the recently confirmed widening of the weld pool interface, known as a bulging effect, and its relevance in high power laser beam welding. A combined experimental and numerical approach is utilized to study the influence of the bulge on the hot cracking formation and the transport of alloying elements in the molten pool. A technique using a quartz glass, a direct-diode laser illumination, a high-speed camera, and two thermal imaging cameras is applied to visualize the weld pool geometry in the longitudinal section. The study examines the relevance of the bulging effect on both, partial and complete penetration, as well as for different sheet thicknesses ranging from 8 mm to 25 mm. The numerical analysis shows that the formation of a bulge region is highly dependent on the penetration depth and occurs above 10 mm penetration depth. The location of the bulge correlates strongly with the cracking location. The obtained experimental and numerical results reveal that the bulging effect increases the hot cracking susceptibility and limits the transfer of alloying elements from the top of the weld pool to the weld root. T2 - 1st Annual Assembly and Conference of The Welding Federation of Africa (TWF-Africa) CY - Cairo, Egypt DA - 14.03.2023 KW - Laser beam welding KW - Melt pool dinamics PY - 2023 AN - OPUS4-58695 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Bachmann, Marcel A1 - Rethmier, Michael T1 - Influence of the spatial laser energy absorption on the molten pool dynamics in high-power laser beam welding N2 - The spatial laser energy absorption inside the keyhole is decisive for the dynamic molten pool behaviors and the resultant weld properties in high-power laser beam welding (LBW). In this paper, a numerical simulation of the LBW process, considering the 3D transient heat transfer, fluid flow, and keyhole dynamics, is implemented, in which the free surface is tracked by the volume-of-fluid algorithm. The underlying laser-material interactions i.e., the multiple reflections and Fresnel absorption, are considered by an advanced ray-tracing method based on a localized Level-Set strategy and a temperature-dependent absorption coefficient. The laser energy absorption is analyzed from a time-averaged point of view for a better statistical representation. It is found for the first time that a noticeable drop of the time-averaged laser energy absorption occurs at the focus position of the laser beam, and the rest region of the keyhole has relatively homogenous absorbed energy. This unique absorption pattern may lead to a certain keyhole instability and have a strong correlation with the detrimental bulging and narrowing phenomena in the molten pool. The influence of the different focus positions of the laser beam on the keyhole dynamics and molten pool profile is also analyzed and compared. The obtained numerical results are compared with experimental measurements to assure the validity of the proposed model. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2023 CY - Chicago, USA DA - 16.10.2023 KW - Laser beam welding KW - laser energy absorption KW - molten pool KW - keyhole dynamics KW - numerical modeling PY - 2023 SP - 1 EP - 8 AN - OPUS4-58754 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Kampffmeyer, D. A1 - Wolters, M. A1 - Raute, J. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Laserstrahlauftragschweißen – Einfluss von Schutzgasgemischen auf die Bauteilqualität N2 - Im Additive Manufacturing Verfahren Directed Energy Deposition (DED) wird bei der Verarbeitung von Werkzeugstahl in der Regel reines Argon als Schutzgas verwendet. Dabei kann die Verwendung von speziellen Schutzgasgemischen, auch bei geringen Anteilen zugemischter Gase, durchaus die Bauteilqualität positiv beeinflussen. In Vorarbeiten der Messer SE & Co. KGaA zeigte ein gewisser Sauerstoffanteil im Schutzgas die Tendenz, den Flankenwinkel von Schweißspuren beim DED zu verbessern. In der vorliegenden Studie wurde daher detailliert untersucht in wie weit unterschiedliche Schutzgasgemische einen Einfluss auf die Qualität sowie die geometrischen Eigenschaften der additiv gefertigten Strukturen des Werkzeugstahls 1.2709 beim Laser-DED ausüben. Es erfolgten zunächst Testschweißungen in Form von Einzelspuren mit unterschiedlichen Gemischen aus dem Basisschutzgas Argon mit geringen Anteilen verschiedener Gase. Dabei wurde der Einfluss der Zusätze auf die Spurgeometrie und Aufbauqualität untersucht. Auf Basis dieser Vorversuche wurde eine Auswahl vielversprechender Gasgemische getroffen und Detailuntersuchungen in Form von Spuren, Flächen und Quadern unter Zugabe verschiedener Mengen an Zusätzen durchgeführt. Zur Bewertung des Einflusses der Schutzgasbeimengungen wurden der Flankenwinkel, die Porosität und das Gefüge der Proben anhand metallografischer Schliffe untersucht. Es zeigte sich, dass eine Zugabe von geringen Anteilen an Zusätzen zunächst zu einer Vergrößerung des Flankenwinkels im Vergleich zu reinem Argon führt. Mit steigendem Anteil der Gase nimmt dieser Winkel jedoch ab. So kann je nach Menge des zugesetzten Gases eine individuelle Benetzung des aufgetragenen Materials an der Oberfläche erreicht werden. Auch die Porosität ließ sich durch Schutzgasgemische beeinflussen und zeigt ein abweichendes Verhalten im Vergleich zu reinem Argon. T2 - DVS Congress 2023 Große Schweißtechnische Tagung DVS CAMPUS CY - Essen, Germany DA - 11.09.2023 KW - Laser-Pulver-Auftragschweißen KW - DED-LB KW - Schutzgas KW - Additive Fertigung PY - 2023 SN - 978-3-96144-230-0 SP - 505 EP - 511 PB - DVS-Media AN - OPUS4-58585 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Raute, J. A1 - Biegler, M. A1 - Rethmeier, Michael T1 - Untersuchung zum Elektronenstrahlschweißen von additiv gefertigtem Inconel 939 N2 - 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. T2 - 42. Assistentenseminar Fügetechnik CY - Beverungen, Germany DA - 06.10.2021 KW - Elektronenstrahlschweißen KW - Additive Fertigung KW - Schweißnahtbewertung PY - 2022 SN - 978-3-96144-210-2 VL - 385 SP - 1 EP - 8 PB - DVS Media GmbH AN - OPUS4-57320 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Rethmeier, Michael A1 - Biegler, M. T1 - Qualifizierung der Schweißstruktursimulation für die wirtschaftliche Bearbeitung additiver fertigungstechnischer Fragestellungen am Beispiel des Laserpulverauftragschweißens N2 - Additive Fertigungsverfahren, speziell das selektive Laserschmelzen sowie das Laserpulverauftragsschweißen, ermöglichen eine enorme Steigerung der Flexibilität und erlauben Kleinserienteile mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten herzustellen. Für den erfolgreichen wirtschaftlichen Einsatz dieser neuartigen Fertigungsverfahren spielt die Einhaltung des First-time-right-Prinzips eine entscheidende Rolle: Bauteile sollten bereits im ersten Versuch allen Anforderungen genügen. Aufgrund der jungen Geschichte dieses Fertigungszweigs und der damit einhergehenden fehlenden Erfahrungen und Richtlinien ist diese elementare Forderung heute nur in wenigen Fällen realisierbar. Die geforderten Qualitätsstandards können aktuell nur über experimentelle Iterationsschleifen eingehalten werden, sodass das große Potential einer flexiblen und schnellen Fertigung in erheblichem Maß reduziert wird. Die Komplexität der gefertigten Bauteile und die des Prozesses an sich lassen eine erfahrungsbasierte Vorhersage der Verzüge und Eigenspannungen kaum zu. Zudem werden auch in Zukunft Richtlinien und Normen nicht das komplette Anwendungsspektrum abbilden können. Die eigenspannungsbedingten Verzüge spielen demnach eine bedeutende Rolle und stellen zusammen mit dem Erreichen der Maßhaltigkeit eine entscheidende technologische Herausforderung beim Einsatz additiver Fertigungsverfahren dar. Die numerische Simulation ermöglicht die Vorhersage von Bauteilverzügen und –spannungen und kann durch virtuelle Abprüfung von Herstellstrategien die Anzahl von Experimente reduzieren. Bisherige numerische Betrachtungen von zusatzwerkstoffbasierten Verfahren, zu denen unter anderem das Laserpulverauftragschweißen (LPA) gehört, beschränkten sich primär auf akademische Beispiele mit geringer Komplexität. Für die Simulation von konkreten Anwendungsfällen auf Bauteilebene liegen bisher keine validierten, numerischen Methoden und Ansätze vor, die eine wirtschaftliche Anwendung der Schweißsimulation ermöglichen. Dieses Projekt wird Simulationsmodelle zur numerischen Betrachtung komplexer additiv gefertigter Bauteile entwickeln. Dafür wird der Prozess in vereinfachten Simulationen nachgebildet und anhand von Experimenten validiert. Anschließend werden Methoden zur automatisierten Pfadgenerierung für komplexe Bauteile erprobt und in der Simulation implementiert. Schließlich werden zur Reduktion der Rechenzeit verschiedene Methoden zur Vereinfachung evaluiert und verglichen. Das Ziel ist die Steigerung der Verlässlichkeit in der Simulation, um prädiktive Aussagen über die Qualität additiv gefertigter Bauteile zu ermöglichen. KW - Schweißstruktursimulation KW - LPA KW - Additive Manufacturing PY - 2019 SN - 978-3-96780-042-5 SP - 1 EP - 106 PB - Forschungsvereinigung Stahlanwendungen AN - OPUS4-57321 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Rethmeier, Michael A1 - Biegler, M. A1 - Javaheri, E. T1 - Qualifizierung der instrumentierten Eindringprüfung zur Kennwertermittlung für hochfeste Stähle mit Schweißungen N2 - Der Einsatz von hochfesten Stählen im Karosseriebereich des Automobilbaus hat während der letzten Jahre stark zugenommen. Hierzu zählen Dual- und Komplexphasenstähle, welche durch Kombination unterschiedlicher Gefügebestandteile auch deren Vorteile kombinieren, sowie TRIP (TRansformation Induced Plasticity) und Mangan-Bor Stähle, welche sehr gute Umformeigenschaften mit hohen Festigkeiten durch Martensitbildung bei der Umformung kombinieren. TWIP (Twinning Induced Plasticity) Stähle erreichen ähnliche Effekte durch forcierte Zwillingsbildung. Die Ursachen für den Einsatz dieser Stähle liegen in dem Potential dieser Materialien zur Gewichts- und Kostenreduzierung, bei gleichzeitiger Erhöhung der Fahrgastsicherheit. Auf Grund der prinzipiell gegebenen Schweißeignung dieser Stähle, werden die klassischen Fügeverfahren im Karosseriebau wie das kostengünstige und effektive Widerstandspunktschweißen, das Metall-Schutzgas (MSG)-Schweißen oder das Laserschweißen angewendet. Allerdings treten teilweise Herausforderungen, beispielsweise durch Gefügeveränderungen in den Fügestellen auf, die zu ungewollten Aufhärtungen oder Erweichungen führen. In diesem Projekt wird ein Verfahren entwickelt, mit welchem die lokalen Werkstoffeigenschaften von im Automobilbau typischen Werkstoffen und deren Fügestellen bestimmt werden können. Relevante Kennwerte sind in erster Linie das SpannungsDehnungs-Verhalten der verschiedenen Zonen einer Schweißverbindung; relevante Zonen wiederum sind neben dem Grundwerkstoff die Wärmeeinflusszone und das Schweißgut. Zu diesem Zweck wird das Verfahren der instrumentierten Eindringprüfung für den Einsatz bei hochfesten Stählen weiterentwickelt. Zunächst werden hierzu Zugversuche an einfachen Grundwerkstoffgeometrien durchgeführt. Im Anschluss wird die optische Dehnungsfeldmessung an stark taillierten, geschweißten Zugversuchsproben durchgeführt. Die Taillierung dient dem Zweck, die WEZ auch mittels WPS über den gesamten Querschnitt der Probe erzeugen zu können, bzw. im Versuch auch Dehnungen in den relevanten Bereichen herbeizuführen. Das im Projekt angewendete Auswerteverfahren, welches auf nichtlinearen Regressionsmodellen in Form von künstlichen, neuronalen Netzwerken beruht, ermöglicht die Vorhersage des Festigkeitsverhaltens des Werkstoffes anhand der gemessenen Krafteindringwegdaten. KW - Eindringprüfung KW - Hochfester Stahl KW - Prüfverfahren PY - 2020 SN - 978-3-946885-98-6 SP - 1 EP - 164 PB - Forschungsvereinigung Stahlanwendungen AN - OPUS4-57322 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Yang, Chunliang A1 - Yang, Fan A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Bachmann, Marcel A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Rethmeier, Michael T1 - Experimental and numerical study on grain refinement in electromagnetic assisted laser beam welding of 5754 al alloy N2 - Through experimental observation and auxiliary numerical simulation, this investigation studies the different types of grain refinement of 5754 aluminum alloy laser beam welding by applying a transverse oscillating magnetic field. Scanning electron microscope results have proved that the application of a magnetic field can reduce the average crystal branch width and increase its number. The interaction between the induced eddy current generated by the Seebeck effect and the applied external magnetic field produces a Lorentz force, which is important for the increase in the number of crystal branches. Based on the theory of dendrite fragmentation and the magnetic field-induced branches increment, the grain size reduction caused by the magnetic field is studied. Furthermore, the effects of the magnetic field are ana lyzed by combining a phase field method model and simulations of nucleation and grain growth. The grain distribution and average grain size after welding verify the reliability of the model. In addition, the introduction of a magnetic field can increase the number of periodic three-dimensional solidification patterns. In the intersection of two periods of solidification patterns, the metal can be re-melted and then re-solidified, which prevents the grains, that have been solidified and formed previously, from further growth and generates some small cel lular grains in the new fusion line. The magnetic field increases the building frequency of these solidification structures and thus promotes this kind of grain refinement. T2 - ICALEO 2023 CY - Chicago, IL, USA DA - 16.10.2023 KW - Laser beam welding KW - Magnetic field KW - Crystal branch development KW - Grain refinement KW - Periodic solidification pattern PY - 2023 AN - OPUS4-58493 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bachmann, Marcel A1 - Artinov, Antoni A1 - Meng, Xiangmeng A1 - Putra, Stephen Nugraha A1 - Rethmeier, Michael T1 - Challenges in dynamic heat source modeling in high-power laser beam welding N2 - The amount of absorbed energy in the keyhole as well as its spatial and temporal distribution is essential to model the laser beam welding process. The recoil pressure, which develops because of the evaporation process induced by the absorbed laser energy at the keyhole wall, is a key determining factor for the macroscopic flow of the molten metal in the weld pool during high-power laser beam welding. Consequently, a realistic implementation of the effect of the laser radiation on the weld metal is crucial to obtain reliable and accurate simulation results. In this paper, we discuss manyfold different improvements on the laser-material interaction, namely the ray-tracing method, in the numerical simulation of the laser beam welding process. The first improvement relates to locating the exact reflection points in the ray tracing method using a so-called cosine condition in the determination algorithm for the intersection of the reflected rays and the keyhole surface. A second correction refers to the numerical treatment of the Gaussian distribution of the laser beam, whose beam width is defined by a decay of the laser intensity by a factor of 1/e2 thus ignoring around 14 % of the total laser beam energy. In a third step, the changes in the laser radiation distribution in the vertical direction were adapted by using different approximations for the converging and the diverging regions of the laser beam thus mimicking the beam caustic. Finally, a virtual mesh refinement was adopted in the ray tracing routine. The obtained numerical results were validated with experimental measurements. T2 - International Congress of Applications of Lasers & Electro-Optics 2023 CY - Chicago, USA DA - 16.10.2023 KW - Laser beam welding KW - Laser energy distribution KW - Ray tracing KW - Numerical modeling PY - 2023 SP - 1 EP - 10 AN - OPUS4-58475 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -