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Organisationseinheit der BAM
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It is fundamental to determine the machine geometry accurately for dimensional X-ray computed tomography (XCT) measurements. When performing high-accuracy scans, compensation of a non-static geometry, e.g. due to rotary axis errors or drift, might become necessary. Here we provide an overview of methods to determine and account for such deviations on a per projection basis. They include characterisation of stage error motions, in situ geometry measurements, numerical simulations, and reconstruction-based optimization relying on image quality metrics and will be discussed in terms of their metrological performance. Since a radiographic calibration is always required to provide an initial absolute geometry, this method will be presented as well.
Kegel-Phased-Array für die schnelle Ultraschallprüfung von längsgebohrten Eisenbahnradsatzwellen
(2018)
Durch die Verwendung von Ultraschall - Phased Arrays lässt sich in vielen Fällen sowohl die Prüfgeschwindigkeit als auch die Zuverlässigkeit der Prüfung erhöhen. Für die Prüfung von Eisenbahnradsatzwellen ist die Phased Arraytechnik schon verbreitet, jedoch vor allem für die Prüfung von Vollwellen. Die Prüfung von längsgebohrten Eisenbahnrad¬satzwellen erfolgt typischerweise mit einer Anzahl von konventionellen Prüfköpfen, die rotierend durch die Längsbohrung bewegt werden. Dabei werden weder die Achsen und Räder noch die Bremsscheiben demontiert.
Ein neuer Ansatz für die Prüftechnik ist die Verwendung eines rotations-symmetrischen kegelförmigen Phased Arrays in Tauchtechnik. Die Abtastung in Umfangs-richtung erfolgt durch elektronische Rotation des Schallfeldes, was viel höhere Prüfge-schwindigkeiten ermöglicht und den mechanischen Aufwand des Prüfsystems erheblich reduziert. Nur die Bewegung des Sensorsystems in axialer Richtung innerhalb der Bohrung erfolgt mechanisch. Senkrecht zur Bauteilachse kann das Schallbündel durch die Phased Arraysteuerung in Umfangsrichtung exakt ausgerichtet und im Abstand der Prüfbereiche nahe der Außenoberfläche der Radsatzwelle fokussiert werden.
Die Konstruktionsparameter des Kegelarrays wurden speziell optimiert zum Auffinden von rissartigen Querfehlern in und in der Nähe der äußeren Oberfläche von längsgebohrten Eisenbahnradsatzwellen von Hochgeschwindigkeitszügen. Die Fehlerfläche liegt dabei in der Querschnittsfläche des Bauteils. Im Beitrag werden der Prototyp des neuen Sensorsystems und erste Prüfergebnisse gezeigt. Die Arbeiten wurden durchgeführt im Rahmen des Europäischen Projektes “Whole Life Rail Axle Assessment and Improvement Using Ultrasonic Phased array and Corrosion Inspection Systems“ (RAAI).
Phased-Array-Technik und Bildgebung mit Ultraschallwellen sind nach langer Entwicklungszeit inzwischen auf dem Weg zu allgemeiner Verbreitung. Daher bietet sich an, die verschiedenen Techniken und deren Begriffe wie z.B. Phased-Array, SAFT, TFM, FMC und Sparse-Array zusammenfassend in Beziehung zu setzen.
All diesen Techniken liegt dieselbe Idee zu Grunde, nämlich durch gezielte Überlagerung von Ultraschallsignalen den gewünschten Effekt zu erreichen. Die verschiedenen Techniken werden kurz charakterisiert und neben den Unterschieden wird beschreiben, auf welche Weise bei all diesen Techniken das Phänomen der konstruktiven Interferenz jeweils genutzt wird.
Defects are still common in metal components built with Additive Manufacturing (AM). Process monitoring methods for laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are used in industry, but relationships between monitoring data and defect formation are not fully understood yet. Additionally, defects and deformations may develop with a time delay to the laser energy input. Thus, currently, the component quality is only determinable after the finished process.
Here, active laser thermography, a non-destructive testing method, is adapted to PBF-LB/M, using the defocused process laser as heat source. The testing can be performed layer by layer throughout the manufacturing process. The results of the defect detection using infrared cameras are presented for a custom research PBF-LB/M machine. Our work enables a shift from post-process testing of components towards in-situ testing during the AM process. The actual component quality is evaluated in the process chamber and defects can be detected between layers.
Great complexity characterizes Additive Manufacturing (AM) of metallic components via laser powder bed fusion (PBF-LB/M). Due to this, defects in the printed components (like cracks and pores) are still common. Monitoring methods are commercially used, but the relationship between process data and defect formation is not well understood yet. Furthermore, defects and deformations might develop with a temporal delay to the laser energy input. The component’s actual quality is consequently only determinable after the finished process.
To overcome this drawback, thermographic in-situ testing is introduced. The defocused process laser is utilized for nondestructive testing performed layer by layer throughout the build process. The results of the defect detection via infrared cameras are shown for a research PBF-LB/M machine.
This creates the basis for a shift from in-situ monitoring towards in-situ testing during the AM process. Defects are detected immediately inside the process chamber, and the actual component quality is determined.
Die zerstörungsfreie Prüfung von metallischen Bauteilen hergestellt mit additiver Fertigung (Additive Manufacturing - AM) gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Grund dafür ist die Feststellung von Qualität, Reproduzierbarkeit und damit auch Sicherheit für Bauteile, die mittels AM gefertigt wurden. Jedoch wird noch immer ex-situ geprüft, wobei Defekte (z.B. Poren, Risse etc.) erst nach Prozessabschluss entdeckt werden. Übersteigen Anzahl und/oder Abmessung die vorgegebenen Grenzwerte für diese Defekte, so kommt es zu Ausschuss, was angesichts sehr langer Bauprozessdauern äußerst unrentabel ist. Eine Schwierigkeit ist dabei, dass manche Defekte sich erst zeitverzögert zum eigentlichen Materialauftrag bilden, z.B. durch thermische Spannungen oder Schmelzbadaktivitäten. Dementsprechend sind reine Monitoringansätze zur Detektion ggf. nicht ausreichend.
Daher wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur aktiven Thermografie an dem AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) untersucht. Das Bauteil wird mit Hilfe des defokussierten Prozesslasers bei geringer Laserleistung zwischen den einzelnen gefertigten Lagen unabhängig vom eigentlichen Bauprozess erwärmt. Die entstehende Wärmesignatur wird ort- und zeitaufgelöst durch eine Infrarotkamera erfasst. Durch diese der Lagenfertigung nachgelagerte Prüfung werden auch zum Bauprozess zeitversetzte Defektbildungen nachweisbar.
In dieser Arbeit finden die Untersuchungen als Proof-of-Concept, losgelöst vom AM-Prozess, an einem typischen metallischen Testkörper statt. Dieser besitzt eine Nut als oberflächlichen Defekt. Die durchgeführten Messungen finden an einer eigens entwickelten L-PBF-Forschungsanlage innerhalb der Prozesskammer statt. Damit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Thermografie für L-PBF erforscht, der eine größere Bandbreite an Defektarten auffindbar macht. Der Ansatz wird validiert und Genauigkeit sowie Auflösungsvermögen geprüft. Eine Anwendung am AM-Prozess wird damit direkt forciert und die dafür benötigten Zusammenhänge werden präsentiert.
Die additive Fertigung von metallischen Bauteilen (Additive Manufacturing - AM; auch 3D-Druck genannt) bietet eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden. Durch den schichtweisen Auftrag und das selektive Aufschmelzen von Metallpulver im Laser Powder Bed Fusion Prozess (L-PBF) sind u.a. optimierte und flexibel anpassbare Designs und die Nutzung von neuartigen Materialien möglich. Aufgrund der Komplexität des AM-Prozesses und der Menge an Einflussfaktoren ist eine Qualitätssicherung der gefertigten Bauteile unabdingbar. Verschiedene in-situ Monitoringansätze werden bereits angewendet, jedoch findet eine dedizierte Prüfung erst im Nachgang der Fertigung ex-situ statt. Der Grund dafür ist, dass die Entstehung von geometrischen Abweichungen und Defekten auch zeitversetzt zum eigentlichen Materialauftrag und damit auch zum Monitoring stattfinden kann. Die Notwendigkeit geeigneter in-situ Prüfmethoden für L-PBF, um die Erforderlichkeit einer Nacharbeitung frühzeitig festzustellen und Ausschuss zu vermeiden ist angesichts kostenintensiver Ausgangsstoffe und einer oftmals mehrstündigen bis mehrtägigen Prozessdauer besonders hoch.
Daraus motiviert wird im Rahmen des Projektes ATLAMP die Möglichkeit der aktiven Laserthermografie mit Hilfe des defokussierten Fertigungslasers untersucht. Damit ist, bei vergleichsweise geringer Laserleistung, eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Flying Spot Thermografie möglich. Diese findet jeweils anschließend an die Fertigung einer Schicht statt, womit der reale Status des Bauteils im Verlauf des AM-Prozesses geprüft wird.
Als Grundlage dafür werden im Rahmen dieser Arbeit mit AM gefertigte, defektbehaftete Probekörper zunächst losgelöst vom Fertigungsprozess untersucht. Damit werden die Grundlagen für den neuartigen Ansatz der aktiven in-situ Laserthermografie im L-PBF-Prozess mittels des Fertigungslasers geschaffen. Auf diese Weise lassen sich auch zeitversetzt auftretende Defekte zerstörungsfrei im Prozessverlauf feststellen und eine aussagekräftige Qualitätssicherung des Ist-Zustands des Bauteils erreichen.
Interdigital transducers (IDTs) are a well-known tool for excitation of surface acoustic waves. The use of IDTs is versatile, but they are most commonly employed as actuators for excitation of ultrasonic guided waves (UGWs). However, they are still a relatively new technology, which leaves many possibilities for future research, especially in the scope of newly emerging structural health monitoring (SHM) systems. IDTs offer low weight, design flexibility and beam directivity, which make them ideal candidates for employment in such systems.
Due to the IDTs’ and waves’ complexity, problems often cannot be described analytically, therefore they require numerical solutions and experimental validations. In this contribution, a novel, simple use of IDTs, in the scope of SHM is described. Firstly, numerical findings acquired with finite element method are presented. To validate those results, experiments in a plate-like waveguide are carried out. A good agreement between them is found. The results show the potential of the IDTs in yet another prospective application, which could be attractive for adoption in the future.
In non-destructive testing and structural health monitoring, ultrasonic guided waves (UGWs) are of great interest for finding and characterizing structural flaws. The interaction of the waves with the flaws can often not be described analytically due to waves’ complexity. This makes numerical simulations and experiments indispensable. However, mentioned field of research is still relatively young and most of the methods focus on flaw localization, using time of flight of the reflected signal. This leaves many possibilities for further research, especially when it comes to separate analysis of different propagating modes.
It is well-known that ultrasonic wave modes convert when interacting with flaws. When a fundamental mode (A0 or S0) encounters a notch, it interacts and converts to another fundamental mode. In this contribution, this effect is used to analyze the depth of a notch. Firstly, numerical simulations are presented, which show notch depth proportionality to amplitude ratio of fundamental modes. To validate these results, experiments were carried out on a metal plate with a shallow notch which was gradually deepened. UGWs were excited using a polymer-based interdigital transducer (IDT) and detected with a 3D laser Doppler vibrometer. The IDT is employed to ensure excitation of a single mode and thus to reduce the complexity of the analysis. Good agreement between numerical and experimental results has been found. The results show the potential of UGWs not only for defect reconstruction and localization, but also its precise sizing.
The residual stresses and load transfer in multiphase metal alloys and their composites (with both random planar-oriented short fibers and particles) will be shown, as studied by neutron diffraction, by X-ray computed tomography, and by a model based on the reformulation of classic Maxwell’s homogenization method.
Contrary to common understanding and state-of-the-art models, we experimentally observe that randomly oriented phases possess non-hydrostatic residual stress. Moreover, we disclose that the unreinforced matrix alloy stays under hydrostatic compression even under external uniaxial compression.
The recently developed modeling approach allows calculating the residual stress in all phases of the composites. It rationalizes the presence of deviatoric stresses accounting for the interaction of random oriented phases with fibers having preferential orientation. It also allows the explanation of the unconventional in-situ behavior of the unreinforced alloy and the prediction of the micromechanical behavior of other similar alloys.
Additiv gefertigte (AM) dreifach periodische metallische minimale Oberflächenstrukturen (TPMSS, aus dem Englischen Triply Periodic Minimum Surface Structures) erfüllen mehrere Anforderungen sowohl im biomedizinischen als auch im technischen Bereich: Abstimmbare mechanische Eigenschaften, geringe Empfindlichkeit gegenüber Herstellungsfehlern, mechanische Stabilität und hohe Energieabsorption. Allerdings stellen sie auch einige Herausforderungen in Bezug auf die Qualitätskontrolle dar, die ihre erfolgreiche Anwendung verhindern können. Tatsächlich ist die Optimierung des AM-Prozesses ohne die Berücksichtigung struktureller Merkmale wie Fertigungsgenauigkeit, interne Defekte sowie Oberflächentopographie und -rauheit unmöglich. In dieser Studie wurde die quantitative zerstörungsfreie Analyse von Ti-6Al-4V-Legierung TPMSS mit Hilfe der Röntgen-Computertomographie (XCT) durchgeführt. Es werden mehrere neue Bildanalyse-Workflows vorgestellt, um die Auswirkungen der Aufbaurichtung auf die Wanddickenverteilung, die Wanddegradation und die Verringerung der Oberflächenrauheit aufgrund des chemischen Ätzens von TPMSS zu bewerten. Es wird gezeigt, dass die Herstellungsgenauigkeit für die Strukturelemente, die parallel und orthogonal zu den hergestellten Schichten gedruckt werden, unterschiedlich ist. Verschiedene Strategien für das chemische Ätzen zeigten unterschiedliche Pulverabtragsfähigkeiten und damit ein Gradient der Wanddicke. Dies wirkte sich auf die mechanische Leistung unter Druck durch die Verringerung der Streckspannung aus. Eine positive Auswirkung des chemischen Ätzens ist die Verringerung der Oberflächenrauhigkeit, die möglicherweise die Ermüdungseigenschaften der Bauteile verbessern kann. Schließlich wurde XCT eingesetzt, um die Menge des zurückgehaltenen Pulvers mit der Porengröße des TPMSS zu korrelieren, wodurch der Herstellungsprozess weiter verbessert werden kann.
Additively manufactured (AM) triply periodic metallic minimum surface structures (TPMSS, from the English Triply Periodic Minimum Surface Structures) fulfill several requirements in both biomedical and engineering fields: tunable mechanical properties, low sensitivity to manufacturing defects, mechanical stability, and high energy absorption. However, they also present some quality control challenges that may prevent their successful application. In fact, optimization of the AM process is impossible without considering structural features such as manufacturing accuracy, internal defects, and surface topography and roughness. In this study, quantitative nondestructive analysis of Ti-6Al-4V alloy TPMSS was performed using X-ray computed tomography (XCT). Several new image analysis workflows are presented to evaluate the effects of buildup direction on wall thickness distribution, wall degradation, and surface roughness reduction due to chemical etching of TPMSS. It is shown that the fabrication accuracy is different for the structural elements printed parallel and orthogonal to the fabricated layers. Different strategies for chemical etching showed different powder removal capabilities and thus a gradient in wall thickness. This affected the mechanical performance under compression by reducing the yield stress. A positive effect of chemical etching is the reduction of surface roughness, which can potentially improve the fatigue properties of the components. Finally, XCT was used to correlate the amount of powder retained with the pore size of the TPMSS, which can further improve the manufacturing process.
A paradigm shift in the description of creep in metals can only occur through multi-scale imaging
(2022)
The description of creep in metals has reached a high level of complexity; fine details are revealed by all sorts of characterization techniques and different theoretical models. However, to date virtually no fully microstructure-driven quantitative description of the phenomenon is available. This has brought to interesting inconsistencies; the classic description of (secondary) creep rests on the so-called power law, which however: a- has a pre-factor spanning over 10 orders of magnitude; b- has different reported exponents for the same material; c- has no explanation for the values of such exponents.
Recently, a novel description (the so-called Solid State Transformation Creep (SSTC) Model) has been proposed to tackle the problem under a different light. The model has two remarkable features: 1- it describes creep as the accumulation of elementary strains due to dislocation motion; 2- it predicates that creep is proceeding by the evolution of a fractal arrangement of dislocations. Such description, however, needs a great deal of corroborating evidence, and indeed, is still incomplete.
To date, we have been able to observe and somehow quantify the fractal arrangement of microstructures through Transmission Electron Microscopy (TEM), observe the accumulation of dislocations at grain boundaries by EBSD-KAM (Electron Back-Scattered Diffraction-Kernel Angular Misorientation) analysis, quantify the kinetic character (solid state transformation) of experimental creep curves, and estimate the sub-grain size of the fractal microstructure through X-ray refraction techniques. All pieces of the mosaic seem to yield a consistent picture: we seem being on the right path to reconstruct the whole elephant by probing single parts of it. What is still missing is the bond between the various scales of investigation.
In this work, synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR) was combined with in-situ heat treatment to monitor microstructure and porosity evolution as a function of temperature. The investigated material was a laser powder bed fusion (LPBF) manufactured AlSi10Mg, where the initial eutectic Si network is known to break down into larger particles with increasing temperature. Such alloy is also prone to thermally induced porosity (TIP). We show that SXRR allows detecting the changes in the Si-phase morphology upon heating, while this is currently possible only using scanning electron microscopy. SXRR also allows observing the growth of pores, usually studied via X-ray computed tomography, but on much smaller fields-of-view. Our results show the great potential of in-situ SXRR as a tool to gain in-depth knowledge of the susceptibility of any material to thermally induced damage and/or microstructure evolution over statistically relevant volumes.
Additively manufactured (and in particular laser powder bed fused) materials represent a manyfold challenge for the materials scientist and engineer because of their distinctive microstructure. If laser powder bed fusion is used to produce components, the complexity level increases because meso-structures (e.g., overhanging features, surface and internal defects) gain importance. Furthermore, if the main advantage of additive manufacturing, i.e., the freedom of design, is to be fully exploited, and geometrically complex structures, such as lattices, are manufactured, then such structures become meta-materials. This means that the geometry and the materials properties become equally important.
This matryoshka-like (more literary than the dry “multi-scale”) complexity makes the characterization of the residual stress fields by means of diffraction methods so difficult with the current means, that new paradigms are necessary to tackle the challenge.
Indeed, classic open problems acquire an extra layer of difficulty, such that new solutions need to be found and the sometimes-dormant debate needs to be re-opened. Examples include the determination of: a- the unstrained reference: this reference can become location-dependent and needs to be carefully determined; b- the so-called diffraction elastic constants, which becomes immensely challenging since even the single-crystal elastic constants are not known for additively manufactured materials.
On top of this, other problems arise. The determination of the principal axes of stress becomes non-trivial because the hatching strategy sometimes dominates over the sample geometry. Even further, in complex structures, such as lattices, the textbook statement that the strain measurement in six independent directions uniquely identifies the strain tensor becomes simply invalid. The peculiar surface features of additively manufactured materials transform trivial tasks into formidable challenges: the precise alignment of a specimen in a beam or the determination of surface stresses with laboratory X-rays need to be thoroughly re-discussed and lay far from being routine tasks.
In this paper, we will show a few examples of the cases mentioned above. We will demonstrate that sometimes the classic approach works very well, but other times surprising conclusions can be drawn from in-depth studies of the residual stress in additively manufactured materials. In short, we predicate that classic methods cannot be used on additively manufactured materials and structures without a critical evaluation of their validity and application range.
Alternative to conventional transmission-based radiography and computed tomography, X-ray refraction techniques are being increasingly used to detect damage in light materials. In fact, their range of application has been recently extended even to metals. The big advantage of X-ray refraction techniques is that they are able to detect nanometric defects, whose size would lie below the resolution of even state-of-the-art synchrotron-based X-ray computed tomography (SXCT). The superiority of synchrotron X-ray refraction radiography and tomography (SXRR and SXRCT) has been shown in the case of light materials, in particular composites. X-ray refraction techniques also yield a quantitifaction of the amount of damage (the so-called relative internal specific surface) and can well be compared with damage models. At the same time, it is impossible for SXRR and SXRCT to image single defects. We show that the combination of refraction- and transmission-based imaging techniques yields an impressive amount of additional information about the type and amount of defects in microstructured materials such as additively manufactured metals or metal matrix composites. We also show that the use of data fusion techniques allows the classification of defects in statistically significant representative volume elements.
Wir präsentieren Labor- und Synchrotron-Röntgenrefraktionstechniken, wie sie an der BAM implementiert sind.
Wir zeigen, dass die Labor-Röntgenrefraktionstopographie (XRRT) und die Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie (SRRR) außergewöhnliche Werkzeuge zur Untersuchung von Schädigungen und inneren Defekten (Poren, Mikrorisse) in leichten Materialien wie Keramiken und Kompositen sind. Tatsächlich nutzen diese Techniken den an Grenzflächen auftretenden Röntgenbrechungseffekt aus, um den Kontrast zwischen dem (schwach absorbierenden) Objekt und dem Hintergrund zu erhöhen. Dies ermöglicht die Erkennung sehr kleiner Objekte (sogar bis zu 1 nm Rissöffnung) und die Quantifizierung ihrer spezifischen Oberfläche, die mit ihrem Einfluss auf die Materialeigenschaften korreliert. Wir zeigen die folgenden Anwendungen: a) Quantifizierung der Faserentbindung in laminaten Epoxid-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen; b) Mapping der Porengröße in gesinterten Keramiken; c) Eindringstiefe von Aschen in Keramikschutzschichten; d) Quantifizierung der Porenorientierung in Diesel Partikelfiltern; e) 3D-Darstellung von Makrorissen und Faserentbindung in Verbundwerkstoffen auf Ti-Basis für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt (unter Verwendung von Röntgenrefraktionstomographie).
In this talk the basics of X-ray computed tomography (XCT) are presented, together with a description of complementary techniques such as Laminography and Stereoradiography.
A overview of the common reconstruction approach and of the artifacts that can occur during reconstruction or acquisition of XCT images is also given.
Finally, application examples in the field of construction materials are given, whereby several experimental techniques (Region of Interest Approach) and data analysis methods (e.g. Digital volume correlation) are explained. Such techniques and algorithms are used to extract quantitative information from ex- and in-situ experiments.
In this seminar I present the microstructure and micromechanical properties of diesel particulate filter materials, and then particularize them to porous microcracked aluminum titanate.
I show that neutron diffraction is particularly suited for bulk studies, especially under applied load or at high temperatures. The combination of macroscopic and microscopic tests with modeling and simulation yields great added value to understand the mechanics of microcracking.
In Additive Manufacturing everybody is talking about Free Form, Unconventional Design, Re-thinking Components, “Think out of the box”.
However, there are a few outstanding question: a) What are the material properties ? They certainly differ from literature values for conventional materials; b) How about the microstructure? It is different from conventional materials. Does it stay so with ageing? How does it form? c) Do we properly take residual stress into account? We often blame them for our ignorance about failure scenarios. d) Do we apply tailored heat treatments? Very often, we follow conventional schedules…
This talk describes the summary of the efforts carried out within the BAM Project AGIL.
At BAM, we aimed to thoroughly investigate the microstructure and how it evolves as a function of load and temperature (service), to determine the material properties after different process and service conditions, to properly determine residual stress and the way it impacts mechanical properties and component performance, to properly quantify the impact of (unavoidable?) defects, and to determine heat treatments tailored to the process-specific material (stress relieve, microstructure homogenization etc.).
The Project AGIL was and is intimately coupled with the project ProMoAM, dealing with online monitoring of AM processes.