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Since metal additive manufacturing (AM) becomes more and more established in industry, also the cost pressure for AM components increases. One big cost factor is the quality control of the manufactured components. Reliable in-process monitoring systems are a promising route to lower scrap rates and enhance trust in the component and process quality.
The focus of this contribution is the presentation and comparison of two optical tomography based multi measurand in-situ monitoring approaches for the L-PBF process: the bicolor- and the RGB-optical tomography. The classical optical tomography (OT) is one of the most common commercial in-situ monitoring techniques in industrial L-PBF machines. In the OT spatial resolved layer-images of the L-PBF process are taken from an off-axis position in one near infrared wavelength window. In addition to the explanatory powers classical OT, both here presented approaches enable the determination of the maximum surface temperature. In contrast to thermography that may also yield maximum temperature information, the needed equipment is significantly cheaper and offers a higher spatial resolution. Both approaches are implemented at a new in-house developed L-PBF system (Sensor-based additive manufacturing machine - SAMMIE). SAMMIE is specifically designed for the development and characterization of in-situ monitoring systems and is introduced as well.
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.
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.
The industrial use of additive manufacturing for the production of metallic parts with high geometrical complexity and lot sizes close to one is rapidly increasing as a result of mass individualisation and applied safety relevant constructions. However, due to the high complexity of the production process, it is not yet fully understood and controlled, especially for changing (lot size one) part geometries.
Due to the thermal nature of the Laser-powder bed fusion (L-PBF) process – where parts are built up layer-wise by melting metal powder via laser - the properties of the produced part are strongly governed by its thermal history. Thus, a promising route for process monitoring is the use of thermography. However, the reconstruction of temperature information from thermographic data relies on the knowledge of the surface emissivity at each position on the part. Since the emissivity is strongly changing during the process due to phase changes, great temperature gradients, possible oxidation, and other potential influencing factors, the extraction of real temperature data from thermographic images is challenging. While the temperature development in and around the melt pool, where melting and solidification occur is most important for the development of the part properties. Also, the emissivity changes are most severe in this area, rendering the temperature deduction most challenging.
A possible route to overcome the entanglement of temperature and emissivity in the thermal radiation is the use of hyperspectral imaging in combination with temperature emissivity separation (TES) algorithms. As a first step towards the combined temperature and emissivity determination in the L-PBF process, here, we use a hyperspectral line camera system operating in the short-wave infrared region (0.9 µm to 1.7 µm) to measure the spectral radiance emitted. In this setup, the melt pool of the L-PBF process migrates through the camera’s 1D field of view, so that the radiation intensities are recorded simultaneously for multiple different wavelength ranges in a spatially resolved manner. At sufficiently high acquisition frame rate, an effective melt pool image can be reconstructed. Using the grey body approximation (emissivity is independent of the wavelength), a first, simple TES is performed, and the resulting emissivity and temperature values are compared to literature values. Subsequent work will include reference measurements of the spectral emissivity in different states allowing its analytical parametrisation as well as the adaption and optimisation of the TES algorithms. An illustration of the proposed method is shown in Fig.1.
The investigated method will allow to gain a deeper understanding of the L-PBF process, e.g., by quantitative validation of simulation results. Additionally, the results will provide a data basis for the development of less complex and cheaper sensor technologies for L-PBF in-process monitoring (or for related process), e.g., by using machine learning.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), as one of the most promising production process in the field of metal additive manufacturing, enables traditional constructive solutions to be rethought and the manufacturing of optimized components according to the "form follows function" principle. The most significant obstacle for a broad industrial application of the L-PBF process is the inadequate quality assurance during the manufacturing process so far, leading to high production costs. Although several mainly camera based commercial in-process monitoring systems are already available, a deep understanding of the interpretation of the monitored data and correlation with actual defects is still lacking. One reason for this is the reduction of the complex process signature to just one measurement value.
The focus of this contribution is the presentation of the multispectral optical tomography as alternative to single measurand in-situ monitoring systems. The potential of this approach is hereby shown on L-PBF printed samples with induced process instabilities. Beyond that, an in-house developed L-PBF printer for further testing of multi-sensor in-situ monitoring systems is presented.
Additive manufacturing (AM) technologies are experiencing an exceedingly rapid growth, driven by their potential through layer wise deposition for transformational improvements of engineering design, leading to efficiency and performance improvements. Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is an Additive Manufacturing (AM) method which permits the fabrication of complex structures that cannot otherwise be produced via conventional subtractive manufacturing methods. Nevertheless, the rapid cooling rates associated with this process results in the formation of significant and complex residual stress (RS) fields. A large body of both experimental and simulation research has been dedicated in recent years to the control and mitigation of RS in AM. In order to validate simulations with the end goal of being able to model the residual stress state in AM components and to devise strategies for their reduction during manufacturing, experimental methods need to be able to accurately determine 3D residual stresses fields in complex geometries. Several destructive and non-destructive methods can be used to analyze the RS state, the choice of which depends on the geometry and the information required. Diffraction-based methods using penetrating neutron and synchrotron X-rays at large scale facilities offer the possibility to non-destructively spatially resolve both surface and bulk residual stresses in complex components and track their changes following applied thermal or mechanical loads. This presentation will overview the success stories of using large scale facilities by the BAM for the characterization of residual stresses in additively manufactured metallic alloys. In particular, the study of the influence of process parameters on the residual stress state and the relaxation of these stresses through heat treatment will be presented. However there remains challenges to overcome particularly of the hypotheses underlying the experimental determination of residual stresses, which will be discussed.
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.
Thermography is one on the most promising techniques for in-situ monitoring for metal additive manufacturing processes. The high process dynamics and the strong focus of the laser beam cause a very complex thermal history within the produced specimens, such as multiple heating cycles within single layer expositions. This complicates data interpretation, e.g., in terms of cooling rates. A quantity that is easily calculated is the time a specific area of the specimen is at a temperature above a chosen threshold value (TOT). Here, we discuss variations occurring in time-over-threshold-maps during manufacturing of a defect free cuboid specimen.
In-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung von Metallen mittels optischer Verfahren
(2020)
Einer der aussichtsreichsten Ansätze, die Qualität und Sicherheit der gefertigten Teile in der metallbasierten additiven Fertigung (AM) zu erhöhen und die Notwendigkeit aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen (ZfP) nach der Fertigung zu verringern, liegt in dem Einsatz von in-situ Prozessüberwachungstechniken. Bereits jetzt werden erste Messsysteme zur Kontrolle der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie kommerziell angeboten. Weitere ZfP Verfahren, wie z.B. die aktive und passive Thermografie, werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung angesehen, allerdings gibt es noch wenig konkrete praktische Umsetzungen, da die Möglichkeiten und individuellen Grenzen dieser Methoden, angewendet auf AM, noch nicht ausreichend erforscht sind. Aus diesem Grund verfolgt die BAM mit dem Projekt „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) im Themenfeld Material das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile weiterzuentwickeln.
Im Beitrag wird zunächst das Projekt vorgestellt und anschließend der Fokus auf eine Messserie gelegt, in der Probekörper aus dem austenitischen Edelstahl 316L mit lokal variierenden Prozessparametern mittels selektiven Laserschmelzen (L-PBF) aufgebaut wurden. Der Bauprozess wurde hierbei durch das maschineneigene, koaxial arbeitende Photodiodensystem (Melt-Pool-Monitoring), einer Mittelwellen-Infrarotkamera und einer optischen Tomografiekamera im sichtbaren Wellenlängenbereich (Langzeitbelichtung für die Dauer eines Lagenaufbaus mit einer CMOS-Kamera mit hoher Ortsauflösung) simultan überwacht. Als Referenz für diese Methoden wurden die Probekörper mittels Computertomografie untersucht. Für die dabei anfallenden teils großen Datenmengen wurden Algorithmen für ein effizientes Preprocessing entwickelt. Es wurden Merkmale der Messdaten in Korrelation zu Fehlern und Inhomogenitäten extrahiert, welche für die einzelnen Methoden vergleichend vorgestellt und diskutiert werden.
Fracture mechanics is a key to fatigue assessment in AM metal components. Short fatigue cracks are initiated at defects and pronounced surface roughness intrinsic to AM. The subsequent crack-propagation is strongly influenced by microstructural interactions and the build-up of crack-closure. The aim of the present study is to give an insight into short-crack propagation in AM-metals. Fatigue crack propagation resistance curves were determined experimentally for AISI 316L manufactured by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) which was heat treated at three different temperatures. Differences in the build-up of the fatigue-crack propagation threshold in between the L-PBF specimens and compared to wrought material are due to the residual stress states, a pronounced roughness of the crack-faces in the L-PBF specimens and phase transformation in the vicinity of the crack-tip, resulting in increased crack-closure. This, together with crack-branching found along the crack path, enhances the resistance to the propagation of fatigue cracks.