Qualifizierung des Laserstrahl-Auftragschweißens zur generativen Fertigung von Luftfahrtkomponenten

Witzel, Johannes; Poprawe, Reinhard; Reisgen, Uwe

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-008378

Qualifizierung des Laserstrahl-Auftragschweißens zur generativen Fertigung von Luftfahrtkomponenten = Qualification of laser metal deposition for additive manufacturing of aero engine components

Witzel, Johannes

2015

VerantwortlichkeitsangabeJohannes Witzel

ImpressumAachen : Shaker 2015

UmfangXII, 109, XXXIV S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-8440-3470-7

ReiheBerichte aus der Lasertechnik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University.

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhard (Thesis advisor) ; Reisgen, Uwe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-12-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-008378
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/463044/files/463044.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/463044/files/463044.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Durch Laserstrahl-Auftragschweißen (LA) kann Material auf geometrisch komplexen Grundformen aufgetragen werden. Darüber hinaus kann der Materialauftrag in genau definierten Toleranzbereichen (eng.: near net shape) erfolgen. Aufgrund dieser Vorteile wird das LA seit über 20 Jahren für die Reparatur und die Instandsetzung sowie für den Verschleiß- und Korrosionsschutz wertvoller Komponenten vorwiegend im Turbinenbau sowie im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist die Weiterentwicklung des LA hin zu einem generativen Fertigungsverfahren. Drei Voraussetzungen, die das LA in diesem Kontext erfüllen muss, werden im Rahmen der Dissertation behandelt. Diese sind eine signifikante Steigerung der Menge an Material, die pro Zeiteinheit aufgetragen werden kann, eine Verbesserung der Werkstoffeigenschaften durch die Möglichkeit, die Kritikalität von Defekten bewerten zu können sowie die Realisierung von großen Auftragraten bei gleichzeitig großer Geometrietreue.Sowohl große Auftragraten in dem Bereich von 1 bis 10 kg/h (Nickelbasis-legierung IN 718) wie auch die Anpassung von Spurbreiten zwischen 2 bis 4 mm während eines Prozesses können technisch durch eine NC-angesteuerte Zoomoptik in Verbindung mit einer koaxialen Pulverzuführung realisiert werden. In Beschichtungsdiagrammen können für die drei Verfahrensparameter Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit und Pulvermassenstrom Prozessfenster beschrieben werden. Ein empirisches Werkstoffmodel wird entwickelt, das einen Zusammenhang zwischen einerseits der Größe und der Häufigkeitsverteilung von Poren und andererseit der Zugfestigkeit des auftraggeschweißten Materials darstellt. Zur Demonstration wird im Rahmen dieser Arbeit ein Verdichterlaufrad (eng.: Blade Integrated Disk, BLISK) generativ durch LA gefertigt.

The continued drive for increased efficiency, design complexity and reduced costs, especially in the area of jet engine components, demands the use of highly flexible and innovative production technologies such as Additive Manufacturing (AM). The high cost to manufacture a Blade Integrated Disk (BLISK) used in jet engines is a primary factor creating a growing need for advanced production procedures, a need which addresses the problem of insufficient productivity of AM processes. In the present work I have developed procedural fundamentals to significantly increase the productivity for Laser Metal Deposition (LMD) focusing on powder additive material and the nickel-base super alloy Inconel 718. This work considers three aspects that have an impact on productivity: the build-up rate (short process time), the quality of the deposit (high reliability and less scrap) and a near-net shape build-up (less post machining). High deposition rates require a precise adjustment of the energy intensity in the laser beam spot and, thus, controlled solidification conditions in order to prevent defects such as pores, bonding defects or segregations that can accumulate and form hot cracks. Increased quality of the deposited material requires a material model capable of describing the interdependency of mechanical properties and microstructure of the deposited material. And finally, near-net shape build-up demands an innovative method that is capable of varying the track width during the LMD process. Within the present work, a jet engine component (blade integrated disk, BLISK) is additively manufactured using the LMD process and utilizing high build-up rates as well as a NC-controlled zoom optics.

OpenAccess:
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