Filtern
Dokumenttyp
- Vortrag (10) (entfernen)
Referierte Publikation
- nein (10) (entfernen)
Schlagworte
- SLM (10) (entfernen)
Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
- nein (10)
For the last 20 years active thermography has developed into a standard method in non-destructive material testing. It has become possible to detect defects such as cracks, voids, or even material inhomogeneities. Until now, it is still difficult to quantify subsurface or hidden defects in size due to the diffusive nature of heat flow within a solid. Facing this issue, lockin thermography and other photothermal techniques have been established. They are based on exciting a sample periodically (e.g. with a halogen lamp), causing a controlled periodical heat flow and thereby representing strongly damped thermal waves. These techniques make use of interference and reflection of thermal waves which allow enhancing depth resolution.
So far, only the temporal component of the light source was modified to achieve a defined vertical heat flow – In contrast, we propose a novel technique in which we are able to control both: time and space. This technique enables us to exploit the possibilities of coherent thermal wave shaping. We achieve that by combining a spatial light modulator (SLM) with a high power laser. This approach allows us to launch a set of individually controlled and fully coherent high energy thermal waves into the sample volume. That means, we intentionally use wave propagation throughout the sample’s material in both - vertical and lateral direction.
As one possible application, we use a thermal waves’ interference effect of two phase shifted wave patterns to detect the position of hidden defects. The wave patterns are positioned with a certain distance and a 180° phase shift to each other creating an amplitude depletion zone right in the middle of the two patterns. When a defect is brought unsymmetrically into the depletion zone, the lateral heat flow is disturbed. If the sample is now moved through the depletion zone, a defect can be easily characterized. Exciting periodically while controlling simultaneously phase and amplitude enables us to have a defined thermal wave propagation throughout the sample which means thermal waves can be controlled almost like acoustical or optical waves. This offers the opportunity to transfer known technologies from wave shaping techniques to thermography methods.
Die Schicht-für-Schicht additive Fertigung (AM) in Form des selektiven Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelzens (SLM und EBM) bietet einerseits Vorteile bezüglich des Probendesigns, andererseits sind strukturelle Abweichungen von der nominellen Morphologie unvermeidbar. Beispielsweise führt das Abkühlen des fertigen Bauteils zu verringerten Abmessungen und angeschmolzene Pulverpartikel sorgen für unregelmäßige Oberflächen mit nicht vernachlässigbaren Rauigkeiten.
Im Fokus dieser Arbeit steht die computertomographische (CT) Untersuchung von IN625 Pulver und den daraus SLM-gefertigten Streben, Einheitszellen und Gitterstrukturen.
Mit Hilfe von Synchrotron – CT konnte das IN625 Pulver mit einer Voxelgröße von 0,5µm untersucht werden. Für die Untersuchung der daraus gefertigten verschiedenen Probengemetrien wurde Labor CT genutzt.
6 mm lange Streben variierten im Aufbauwinkel von 40° bis 90°. Der Unterschied zwischen Unter- und Oberseite während der Fertigung wird sowohl bei Porenverteilung als auch bei der Oberflächenrauigkeit deutlich. Ein Vergleich der Strebenabmessungen für die nominalen Durchmesser von 0,5 mm bis 3 mm zwischen CT and GOM zeigte keine signifikanten Differenzen.
Vier dieser Streben wurden zu einer bbc Einheitszelle zusammengefügt, welche sich wiederum zu den Gitterstrukturen ergänzen.
An einem Gitterwürfel (3x3x3 Einheitszellen) wurden In-Situ (Druck) CT bis 5kN durchgeführt. Mit einer Kraft von etwa 3kN erreichen wir den plastischen Bereich und beobachten zudem Strebenverzug.
Außerdem wurde ein Vergleich zu den CAD-Files wurde genutzt um einen möglichen Verzug während der Fertigung beurteilen zu können. Dafür wurden 4x4x4 cm³ Gitterstrukturen gebaut und evaluiert.
Mit diesen CT Messungen bestätigen wir eine signifikante Schrumpfung, die Bereits während der Fertigung berücksichtigt werden muss.
Die Schicht-für-Schicht additive Fertigung (AM) in Form des selektiven Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelzens (SLM und EBM) bietet einerseits Vorteile bezüglich des Probendesigns, andererseits sind strukturelle Abweichungen von der nominellen Morphologie unvermeidbar. Beispielsweise führt das Abkühlen des fertigen Bauteils zu verringerten Abmessungen und angeschmolzene Pulverpartikel sorgen für unregelmäßige Oberflächen mit nicht vernachlässigbaren Rauigkeiten.
Im Fokus dieser Arbeit steht die computertomographische (CT) Untersuchung von IN625 Pulver und den daraus SLM-gefertigten Streben, Einheitszellen und Gitterstrukturen.
Mit Hilfe von Synchrotron – CT konnte das IN625 Pulver mit einer Voxelgröße von 0,5µm untersucht werden. Für die Untersuchung der daraus gefertigten verschiedenen Probengemetrien wurde Labor CT genutzt.
6 mm lange Streben variierten im Aufbauwinkel von 40° bis 90°. Der Unterschied zwischen Unter- und Oberseite während der Fertigung wird sowohl bei Porenverteilung als auch bei der Oberflächenrauigkeit deutlich. Ein Vergleich der Strebenabmessungen für die nominalen Durchmesser von 0,5 mm bis 3 mm zwischen CT and GOM zeigte keine signifikanten Differenzen.
Vier dieser Streben wurden zu einer bbc Einheitszelle zusammengefügt, welche sich wiederum zu den Gitterstrukturen ergänzen.
An einem Gitterwürfel (3x3x3 Einheitszellen) wurden In-Situ (Druck) CT bis 5kN durchgeführt. Mit einer Kraft von etwa 3kN erreichen wir den plastischen Bereich und beobachten zudem Strebenverzug.
Außerdem wurde ein Vergleich zu den CAD-Files wurde genutzt um einen möglichen Verzug während der Fertigung beurteilen zu können. Dafür wurden 4x4x4 cm³ Gitterstrukturen gebaut und evaluiert.
Mit diesen CT Messungen bestätigen wir eine signifikante Schrumpfung, die Bereits während der Fertigung berücksichtigt werden muss.
Additive Manufacturing (AM) enables the unique capability of building highly complex parts with integrated functional design. One particular advantageous design feature is known as lattice structures, which provide opportunities for innovative applications in the high-temperature regime of gas turbines. Generally, manufacturing of these structures is already known to be achievable with AM, however proof of structural integrity and geometrical accuracy is not yet reliably established.
In this investigation, a systematic design-follows-complexity approach is utilized to pursue a holistic assessment of Ni based high temperature lattice. As the major element of lattice structures, single struts of different build orientations are investigated at first. This approach includes the application of Computed Tomography (CT), which allows for a non destructive assessment of quality criteria such as porosity and inner geometries as well as the parts’ metrology at a micrometre scale. The applied laboratory CT benefits from high magnification factors around 100 and voxel sizes down to a thousandth of the specimens’ diameter.
Preliminary results show a correlation between the inclination angle and the struts’ quality, which indicate a dependency of geometrical accuracy and structural properties to the AM process setup. Consequently, lattice structures require the development of reliable manufacturing to produce dependable characteristics.
While there is large potential for use of lattice structures in gas turbine and high temperature applications, the results indicate the strong need for an increased understanding of manufacturing and design as well as of the validation methods for these complex lattice structures.
In powder-based Additive Manufacturing (AM) processes, an object is produced by successively depositing thin layers of a powder material and by inscribing the cross section of the object in each layer. The main methods to inscribe a layer are by binder jetting (also known as powder 3D printing) or by selective laser sintering/melting (SLS/SLM).
Powder-based AM processes have found wide application for several metallic, polymeric and also ceramic materials, due to their advantages in combining flexibility, easy upscaling and (often) good material properties of their products.
The deposition of homogeneous layers is key to the reproducibility of these processes and has a direct influence on the quality of the final parts. Accordingly, powder properties such as particle size distribution, shape, roughness and process related properties such as powder flowability and packing density need to be carefully evaluated.
Due to these requirements, these processes have been so far precluded to find commercial use for certain applications. In the following, two outstanding cases will be presented.
A first example is that powder-based AM processes are widely used for many metallic and polymeric materials, but they find no commercial application for most technical ceramics.
This seemingly contradicting observation is explained by the fact that in powder based AM, a dry flowable powder needs to be used. The processing of technical ceramics in fact typically requires very fine and poorly flowable powder, which makes them not suitable for the standard processes. There have been several approaches to adapt the raw materials to the process (e.g. by granulation), but in order to maintain the superior properties of technical ceramics it seems necessary to follow the opposite approach and adapt the process to the raw materials instead.
This was the motivation for developing the Layerwise Slurry Deposition (LSD), an innovative process for the deposition of powder layers with a high packing density. In the LSD process, a ceramic slurry is deposited to form thin powder layers, rather than using a dry powder. This allows achieving high packing density (55-60%) in the layers after drying. It is also important, that standard ceramic raw materials can be used. When coupled with a printing head or with a laser source, the LSD enables novel AM technologies which are similar to 3D printing or selective laser sintering, but taking advantage of having a highly dense powder bed.
The LSD -3D printing, in particular, offers the potential of producing large (> 100 mm) and high quality ceramic parts, with microstructure and properties similar to traditional processing. Moreover, due to the compact powder bed, no support structures are required for fixation of the part in the printing process.
Figure 1 shows the schematics of the working principle of the LSD-3D print and illustrates some examples of the resolution and features achievable.
The second outstanding case here described is the application of powder-based AM in environments with reduced or zero gravity. The vision is to be able to produce repair parts, tools and other objects during a space mission, such as on the International Space Station (ISS), without the need of delivering such parts from Earth or carrying them during the mission. AM technologies are also envisioned to play an important role even for future missions to bring mankind to colonize other planets, be it on Mars or on the Moon. In this situation, reduced gravity is also experienced (the gravitational acceleration is 0.16 g on the Moon and 0.38 g on Mars).
These environments cause the use of AM powder technologies to be very problematic: the powder layers need to be stabilized in order to avoid dispersion of the particles in the chamber. This is impossible for standard AM powder deposition systems, which rely on gravitation to spread the powder.
Also in this case, an innovative approach has been implemented to face this technological challenge. The application of a gas flow through a powder has a very strong effect on its flowability, by generating a force on each particle, which is following the gas flow field. This principle can be applied in a simple setup such as the one shown in Figure 2.
In this setup, the gas flow causes an average pressure on the powder bed in direction of the arrows, generating a stabilizing effect which acts in the same direction of the gravitational force. This effect can be used in addition to normal gravity on Earth to achieve a better stabilization of 3D printed parts in the powder bed. In this case, even a significant increase of packing density of the powder was measured, compared to the same experimental setup without gas flow. This is due to the fact that the force on each single particle follows the gas flow field, which is guiding the particles to settle between the pores of the powder bed, thus achieving an efficient packing.
The same principle can be applied in absence of gravitation, where the gas flow acts to stabilize the powder layers. It has been shown that ceramic powder could be deposited in layers and laser sintered in µ-gravity conditions during a DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) campaign of parabolic flights, as shown in Figure 2. A follow-up campaign is dedicated to the deposition of metallic (stainless steel) powder in inert atmosphere and to study the effects of laser melting in µ-gravity.
In conclusion, the description of these two example cases shows how the development of novel technological processes can address some of the limitations of standard powder-based AM, in order to enable the use of new materials, such as technical ceramics, or to tackle the challenges of AM in space.
This talk presents a new application for high-spatial resolution eddy current testing (ET) with magneto resistive (MR) sensor arrays. With rising popularity and availability of additive manufacturing (AM), companies mainly in the aerospace sector, set high requirements on quality control of AM parts, especially produced with selective laser melting (SLM). Since it was shown that those parts are prawn to flaws like pores or cracks, every part needs to be tested. Therefore, NDT Methods, like ET, could help to characterize SLM parts. Research on ET has shown, that offline ET with high spatial resolution MR sensor arrays is possible and that flaws as small as 50 µm could be detected while significantly reducing testing time. In this talk a first approach on automated online ET method for testing SLM parts is proposed. An approach with hundreds of MR sensor is made to maintain spatial resolution and short testing times. Classic signal conditioning methods are used to reduce cost and complexity while maintaining high testing bandwidths. The proposed idea enables further research on automated generation of testing reports, process control or automated flaw curing.
Additive Fertigung hat in den letzten Jahren aufgrund der hohen Flexibilität stark an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik werden hohe Anforderungen an die Qualitätskontrolle additiv gefertigter Bauteile gestellt. Teile die mit dem selektiven Laserschmelzen (SLM) hergestellt werden, bilden schon währen des Fertigungsprozesses Poren oder Risse aus. Aus diesem Grund ist die zerstörungsfreie Prüfung jedes Bauteils notwendig. Erste Versuche haben gezeigt, dass die ex-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen mit hochauflösenden MR Sonden möglich ist und dass Fehler im Bereich von einiger µm detektiert werden können. In dem Vortrag wird eine automatisierte in-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen vorgestellt. Für die Prüfung wird eine Vielzahl hochauflösender MR Sensoren verwendet, um die benötige hohe Ortsauflösung bei gleichzeitig kurzer Prüfzeit zu erreichen. Zusätzlich werden klassische Methoden der Signalverarbeitung verwendet, um die Kosten und die Komplexität des Systems trotz hoher Prüffrequenz zu minimieren. Das vorgestellte System kann in der Zukunft helfen automatisiert Prüfberichte zu generieren, den SLM-Prozess zu kontrollieren oder automatisiert Fehlstellen auszuheilen.
Additive Fertigung hat in den letzten Jahren aufgrund der hohen Flexibilität stark an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik werden hohe Anforderungen an die Qualitätskontrolle additiv gefertigter Bauteile gestellt. Teile die mit dem selektiven Laserschmelzen (SLM) hergestellt werden, bilden schon währen des Fertigungsprozesses Poren oder Risse aus. Aus diesem Grund ist die zerstörungsfreie Prüfung jedes Bauteils notwendig. Erste Versuche haben gezeigt, dass die ex-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen mit hochauflösenden MR Sonden möglich ist und dass Fehler im Bereich von einiger µm detektiert werden können. In dem Vortrag wird eine automatisierte in-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen vorgestellt. Für die Prüfung wird eine Vielzahl hochauflösender MR Sensoren verwendet, um die benötige hohe Ortsauflösung bei gleichzeitig kurzer Prüfzeit zu erreichen. Zusätzlich werden klassische Methoden der Signalverarbeitung verwendet, um die Kosten und die Komplexität des Systems trotz hoher Prüffrequenz zu minimieren. Das vorgestellte System kann in der Zukunft helfen automatisiert Prüfberichte zu generieren, den SLM-Prozess zu kontrollieren oder automatisiert Fehlstellen auszuheilen.
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.