TY - JOUR A1 - Werner, Tiago A1 - Madia, Mauro A1 - Zerbst, Uwe T1 - Comparison of the fatigue behavior of wrought and additively manufactured AISI 316L JF - Procedia Structural Integrity N2 - Additive manufacturing (AM) is becoming increasingly important in engineering applications due to the possibility of producing components with a high geometrical complexity allowing for optimized forms with respect to the in-service functionality. Despite the promising potential, AM components are still far from being used in safety-relevant applications, mainly due to a lack of understanding of the feedstock-process-properties-performance relationship. This work aims at providing a full characterization of the fatigue behavior of the additively manufactured AISI 316L austenitic stainless steel and a direct comparison with the fatigue performance of the wrought steel. To this purpose, a set of specimens has been produced by laser powder bed fusion (L-PBF) and subsequently heat treated at 900 °C for 1 hour for complete stress relief, whereas a second set of specimens has been machined out of hot-rolled plates. Low cycle fatigue (LCF) and high cycle fatigue (HCF) tests have been conducted for characterizing the fatigue behavior. The L-PBF material had a higher fatigue limit and better finite life performance compared to wrought material. Both, LCF and HCF-testing revealed an extensive cyclic softening. T2 - FATIGUE DESIGN 2021 CY - Online meeting DA - 17.11.2021 KW - Additive manufacturing KW - L-PBF KW - 316L KW - Fatigue KW - LCF KW - HCF PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-544952 DO - https://doi.org/10.1016/j.prostr.2022.03.056 SN - 2452-3216 VL - 38 SP - 554 EP - 563 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-54495 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Werner, Tiago A1 - Madia, Mauro A1 - Zerbst, Uwe A1 - Sprengel, Maximilian A1 - Ulbricht, Alexander A1 - Evans, Alexander T1 - Experimental investigation on cyclic R-curves for additively manufactured 316L steel N2 - The present study deals with the experimental characterization of short crack propagation in SLM (selective-laser-melting) manufactured stainless steel. More specifically, the determination of cyclic R-curves is discussed. This describes the dependency of the crack propagation threshold on crack growth during the short crack propagation stage. For metals, the threshold, starting at a material-intrinsic value, increases until it reaches a value independent of the crack length due to crack closure phenomena which build up at that stage. The cyclic R-curve, when used in the frame of a cyclic R curve analysis, characterizes the resistance of a material to fatigue crack growth and the ability to arrest a physically short crack. Thus, it is the link between classical fatigue and fracture mechanics. In the high-cycle-fatigue range, the short crack propagation stage dominates the overall lifetime, i.e., the number of cycles until failure. Below the fatigue limit crack arrest of hitherto propagable micro-cracks will occur. The effort for the experimental characterization of the short fatigue crack propagation behavior and the cyclic R-curve is very high compared to experiments on long crack propagation. A very exact measurement of crack extension is required, since small increments need to be depicted. Pre-cracking must leave a closure free initial crack, since closure must be build up only by the cyclic R-curve. The closure-free status is achieved by compression pre-cracking. The aim of the present study is an insight into the influence of an AM process on the short crack propagation threshold. Cyclic R-curves are experimentally determined at different load-ratios for 316L austenitic steel specimens produced by SLM and conventional manufacturing. Residual stresses are measured in the crack plane and their influence on the cyclic R-curve is discussed. T2 - ESIAM19 CY - Trondheim, Norway DA - 09.09.2019 KW - fatigue crack growth KW - Additive Manufacturing KW - 316L KW - Cyclic R-curve KW - Laser Powder Bed Fusion KW - AM KW - L-PBF PY - 2019 AN - OPUS4-49412 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Werner, Tiago ED - Madia, Mauro ED - Zerbst, Uwe T1 - Experimental investigation on cyclic R-curves for additively manufactured 316L steel N2 - The present study deals with the experimental characterization of short crack propagation in SLM (selective-laser-melting) manufactured stainless steel. More specifically, the determination of cyclic R-curves is discussed. This describes the dependency of the crack propagation threshold on crack growth during the short crack propagation stage. For metals, the threshold, starting at a material-intrinsic value, increases until it reaches a value independent of the crack length due to crack closure phenomena which build up at that stage. The cyclic R-curve, when used in the frame of a cyclic R curve analysis, characterizes the resistance of a material to fatigue crack growth and the ability to arrest a physically short crack. Thus, it is the link between classical fatigue and fracture mechanics. In the high-cycle-fatigue range, the short crack propagation stage dominates the overall lifetime, i.e., the number of cycles until failure. Below the fatigue limit crack arrest of hitherto propagable micro-cracks will occur. The effort for the experimental characterization of the short fatigue crack propagation behavior and the cyclic R-curve is very high compared to experiments on long crack propagation. A very exact measurement of crack extension is required, since small increments need to be depicted. Pre-cracking must leave a closure free initial crack, since closure must be build up only by the cyclic R-curve. The closure-free status is achieved by compression pre-cracking. The aim of the present study is an insight into the influence of an AM process on the short crack propagation threshold. Cyclic R-curves are experimentally determined at different load-ratios for 316L austenitic steel specimens produced by SLM and conventional manufacturing. Residual stresses are measured in the crack plane and their influence on the cyclic R-curve is discussed. T2 - ESIAM19 CY - Trondheim, Norway DA - 09.09.2019 KW - Fatigue crack growth KW - Additive Manufacturing KW - 316L KW - Cyclic R-curve KW - Laser Powder Bed Fusion KW - AM KW - L-PBF PY - 2019 SP - 1 EP - 8 AN - OPUS4-49416 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Werner, Tiago A1 - Madia, Mauro A1 - Zerbst, Uwe T1 - Investigation on short crack propagation in additive manufactured steel N2 - The assessment of high cycle fatigue in additive manufactured (AM) components is a challenge due to complex microstructure, anisotropic material behavior, residual stresses and porosity / lack-of-fusion defects. Due to the statistical distribution of defects, a high scatter band of S-N-curves is expected. The fracture mechanics-based fatigue assessment of additive manufactured components must consider the propagation of short cracks emanating from defects. In this work, the fatigue crack propagation resistance in the short and large crack regimes of additive and conventionally manufactured AISI 316L stainless steel is examined experimentally based on the cyclic R-curve. However, remaining residual stresses in the AM specimen lead to unexpected and dramatic crack-growth during the pre-cracking procedure. T2 - Workshop on Additive Manufacturing CY - BAM Berlin, Germany DA - 13.05.2019 KW - Fatigue crack growth KW - Additive Manufacturing KW - 316L KW - Cyclic R-curve KW - Laser Powder Bed Fusion KW - AM KW - L-PBF PY - 2019 AN - OPUS4-49419 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Werner, Tiago A1 - Madia, Mauro A1 - Sprengel, Maximilian A1 - Sommer, Konstantin A1 - Ulbricht, Alexander A1 - Evans, Alexander A1 - Zerbst, Uwe T1 - Experimentelle Ermittlung zyklischer R-Kurven in additiv gefertigtem AISI 316L Stahl N2 - Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen. T2 - Tagung des Arbeitskreises Bruchmechanik und Bauteilsicherheit CY - Online meeting DA - 18.02.2021 KW - Additive Manufacturing KW - Zyklische R-Kurve KW - Ermüdungsriss KW - L-PBF KW - 316L PY - 2021 AN - OPUS4-52250 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Simón Muzás, Juan A1 - Brunner-Schwer, C. A1 - Rethmeier, Michael A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Mitigation of liquation cracking in laser welding of pairs of L-PBF processed and wrought plates of Inconel 718 T2 - Proceedings of IIW2022 - International Conference on Welding and Joining N2 - Laser welding is an appropriate technique for joining Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) parts together and to conventional wrought ones. The potential consists of profiting from synergies between additive and conventional manufacturing methods and overcoming the existing limitations of both. On the one hand, L-PBF is a widely spread metal-based additive manufacturing technique suitable for generating complex parts which can present intrinsic designed cavities, conformal cooling channels, and filigree structures contributing to sustainable manufacturing and efficiency-oriented designs. On the other hand, chamber sizes for producing L-PBF parts are limited, and the process is time-consuming. Thus, its employment is not for every geometry justified. Additionally, they are in most cases individual elements of a larger assembly and need to be joined together to conventionally fabricated parts. The present research suggests laser welding parameters to adequately bond pairs of wrought and L-PBF processed plates and two L-PBF plates of Inconel 718 in butt position. L-PBF samples are printed in three different build-up orientations. Additionally, the influence of as-built L-PBF roughness qualities and usual pre-weld preparations such as edge milling are examined. The effect of normed pre-weld heat treatments is also contemplated. Identified cracks are analyzed by means of EDS in order to confirm the present phases on the areas of interest. EBSD is also employed to obtain a clear depiction of the crystallographic texture and distribution of the hot cracks. The quality of the weldment was examined according to existing standards. Substantial differences in seam geometry and microstructure across different edge’s surface qualities and build directions of stress relieved L-PBF parts have not been detected. Nevertheless, even if no other irregularities are present in the seam, variability in liquation cracking susceptibility has been confirmed. This defect is prone to happen when parts made of this nickel-based superalloy are welded together when not enough precautions are taken. It has been determined that grain size and ductility of the material before welding play a crucial role and mitigating or intensifying these imperfections. Moreover, recommendations are presented to avoid this potential welding defect. T2 - IIW 2022 International Conference on Welding and Joining CY - Tokyo, Japan DA - 17.07.2022 KW - Hybrid Part KW - Liquation Cracking KW - Build-up Orientation KW - Pre-weld Preparation KW - Heat treatment KW - Inconel 718 KW - Laser Welding KW - Laser Powder Bed Fusion KW - Selective Laser Melting KW - SLM KW - L-PBF KW - PBF-LB/M KW - LW PY - 2022 UR - www.iiw2022.com SP - 372 EP - 375 PB - The International Institute of Welding (IIW) CY - Tokyo, Japan AN - OPUS4-56066 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Simón Muzás, Juan A1 - Brunner-Schwer, C. A1 - Biegler, M. A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Rethmeier, Michael T1 - Laser Welding of L PBF AM Components of Inconel 718 N2 - With regard to efficient production, it is desirable to combine the respective advantages of additively and conventionally manufactured components. Particularly in the case of large-volume components that also include filigree or complex structures, it makes sense to divide the overall part into individual elements, which afterwards have to be joined by welding. The following research represents a first step in fundamentally investigating and characterizing the joint welding of Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) components made of Inconel 718. For this purpose, bead-on-plate welds were performed on plates manufactured using the L-PBF process and compared with the conventionally manufactured material. Conventional laser beam welding was used as welding process. The weld geometry was investigated as a function of the L-PBF build-up orientation. It was found that the welding depth and weld geometry differ depending on this orientation and in comparison to the conventional material. T2 - LANE-2022 Conference. 12th CIRP Conference on Photonic Technologies CY - Fürth, Germany DA - 04.09.2022 KW - Bead-on-plate welds KW - Laser Welding KW - L-PBF KW - Inconel 718 KW - Weld geometry PY - 2022 AN - OPUS4-55745 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Scheuschner, Nils A1 - Altenburg, Simon A1 - Maierhofer, Christiane A1 - Mohr, Gunther A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Verfahrensentwicklung für die Prozessüberwachung in der additiven Fertigung - Thermografie N2 - Für die Prozessüberwachung in der additiven Fertigung (AM) werden Sensoren und Messsysteme zur Kontrolle der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete praktische Umsetzungen. Ein neues Projekt der BAM im Themenfeld Material hat daher das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen zu entwickeln. Dies beinhaltet neben passiver und aktiver Thermografie die optische Tomografie, die optische Emissionsspektroskopie, die Wirbelstromprüfung, die Laminografie, die Röntgenrückstreuung und photoakustische Verfahren. Diese Verfahren werden in verschiedenen AM-Systemen zum selektiven Laserschmelzen, zum Laser-Pulver-Auftragsschweißen und zum Lichtbogenschweißen mit Drahtzuführung zum Einsatz gebracht. Für die zum Teil sehr großen Datenmengen werden Algorithmen für ein effizientes Preprocessing entwickelt und Merkmale der Messdaten in Korrelation zu Fehlern und Inhomogenitäten extrahiert, welche mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik ermittelt werden. Die Ergebnisse der Einzelverfahren werden fusioniert und mit den Fertigungsparametern korreliert. Diese Prozessüberwachung soll eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion bewirken. Im Beitrag wird zunächst das Projekt als Ganzes vorgestellt und dann der Fokus auf die Thermografie mit Detektoren in verschiedenen Wellenlängenbereichen gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und experimentelle Ergebnisse im Vergleich zur optischen Tomografie und weiterer Verfahren präsentiert. T2 - DGZfP DACH Jahrestagung 2019 CY - Friedrichshafen, Germany DA - 27.05.2019 KW - Additive Fertigung KW - 3D Druck KW - Thermografie KW - L-PBF KW - SLM PY - 2019 AN - OPUS4-50213 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Räpke, Toni A1 - Heinze, C. A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Xu, Hongwu A1 - Scheuchner, Nils A1 - Mühlenweg, A. A1 - Odabasi, E. A1 - Rule, D. A1 - Hajduk, M. T1 - Geometrie- und Prozesseinflüsse auf lokale Bauteileigenschaften in der metallischen additiven Fertigung mittels Laserstrahlschmelzen N2 - Die mechanischen Eigenschaften und die Standardparametersätze werden im additiven Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) zumeist an Körpern ermittelt, die unter festen Randbedingungen gefertigt werden. In der Literatur wird allerdings von verschiedenen Autoren auf einen Einfluss von Geometrie und Prozess auf die resultierenden Eigenschaften hingewiesen [1, 2, 3]. Aufgrund des häufig großen Komplexitätsgrads von L-PBF Bauteilen und Prozessen, ist eine Abweichung angenommener Eigenschaften daher nicht auszuschließen. Das kann besonders für tragende und sicherheitsrelevante Komponenten kritisch sein und ist eine Herausforderung für die Qualitätssicherung. Aufwendige Trial-and-Error Versuche sind zumeist die Folge. Ein einheitliches und umfassendes Verständnis der Einflussfaktoren auf die resultierenden Eigenschaften im L-PBF Prozess ist zum aktuellen Stand nicht vorhanden. In diesem Vortrag werden erste Ergebnisse einer Studie vorgestellt, in der systematisch die Bandbreite möglicher Defekt- und Mikrostrukturvariationen in L-PBF Bauteilen am Beispiel der Nickelbasislegierung Haynes 282 untersucht wird. Aufbauend auf einer modellbasierten Beschreibung des lokalen Wärmehaushalts wurden Versuchspläne entwickelt, die eine Vielzahl möglicher Prozess- und Geometriekonfigurationen realer Anwendungen abbilden können. Zur Untersuchung des Geometrieeinflusses wurden typische Geometrieelemente komplexer Strukturen und deren Ausprägungen identifiziert. Prozessseitig wurden die Position im Bauraum, Schwankungen der Laserleistung, die Zwischenlagenzeit und die Belichtungsstrategie innerhalb der Schicht als typische Faktoren berücksichtigt. Die Zwischenlagenzeit bildet dabei Variationen im Bauraumfüllgrad ab. Die Belichtungsstrategie untersucht Effekte wie die Zwischenvektorzeit (engl. inter vector time, IVT) oder die lokale Vektorlänge. Die verschiedenen Konfigurationen wurden metallografisch bewertet. Die bisherigen Ergebnisse können einen Einfluss der Geometrie und des Prozesses auf die Defektbildung und die Mikrostruktur in L-PBF Bauteilen aufzeigen. Durch prozessbegleitende thermografische in situ Messungen konnte außerdem eine Abhängigkeit von lokalen und globalen Temperaturfeldern identifiziert werden. Die Erkenntnisse zeigen zudem, dass der geometrische Einfluss auf den lokalen Wärmehaushalt von Anordnung, Gestalt und Dimensionen der zweidimensionalen Belichtungsbereiche über die Aufbauhöhe abhängt. Das gewonnene Verständnis soll in die Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien und Prüfkörpern einfließen, um Variationen lokaler Bauteileigenschaften in der zukünftigen Bauteil- und Prozessauslegung berücksichtigen zu können. T2 - 3. Fachtagung Werkstoffe und Additive Fertigung 2022 CY - Dresden, Germany DA - 11.05.2022 KW - Additive Fertigung KW - L-PBF PY - 2022 AN - OPUS4-55516 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Roveda, Ilaria A1 - Serrano Munoz, Itziar A1 - Kromm, Arne A1 - Madia, Mauro T1 - Investigation of residual stresses and microstructure effects on the fatigue behaviour of a L-PBF AlSi10Mg alloy JF - Procedia Structural Integrity N2 - Al-Si alloys produced by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) techniques allow the fabrication of lightweight free-shape components that find space in aerospace, automotive, biomedical and military applications. Due to the high cooling rates occurring during the building process, L-PBF AlSi10Mg alloys exhibit an ultra-fine microstructure that leads to superior mechanical properties in the as-built condition compared to conventional cast Al-Si materials. Nevertheless, L-PBF processing induces high thermal gradients, leading to deleterious residual stress levels that must be considered to avoid part distortion and unpredicted failures. In order to relax detrimental residual stress and to increase the ductility, post-processing stress relief treatments are generally performed. In as-built condition the hypoeutectic AlSi10Mg microstructure consist of fine α-Al cells containing uniformly dispersed silicon nanoparticles, which are, in addition, surrounded by a eutectic Si network. Above 260°C the silicon interconnectivity starts to breakdown into spheroidized particles and to coarsen. At the same time, the heating residual stresses are relieved. The objective of the contribution is to investigate, under different heat treatment conditions, the evolution of microstructure and residual stresses in view of optimizing the fatigue performance of the alloy. To this purpose various heat treatments in a range of temperatures between 265°C and 300°C for a duration between 15 minutes and 2 hours are performed. The microstructure modifications are analysed using a scanning electron microscope and the residual stress state is measured by laboratory X-ray diffraction. T2 - FATIGUE DESIGN 2021 CY - Online meeting DA - 17.11.2021 KW - AlSi10Mg alloy KW - Additive manufacturing KW - L-PBF KW - Residual stress KW - Heat treatment PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-544942 DO - https://doi.org/10.1016/j.prostr.2022.03.057 SN - 2452-3216 VL - 38 SP - 564 EP - 571 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-54494 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -