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- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (2)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (2)
- 9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik (2)
Eingeladener Vortrag
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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.
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).
Die Degradation von Wärmedämmschichten(thermal barrier coatings - TBCs) in Gasturbinen durch glasartige Calcium-Magnesium-Aluminiumsilikat (CMAS)Ablagerungen aus verschiedenen Quellen istseit vielen Jahren ein anhaltendes Problem. In dieser Studie wurde mit Hilfe derSynchrotron-Röntgen-Refraktions-Radiographie (SXRR), und vergleichend mit der Elektronenmikroskopie, das Eindringen von CMAS in die poröse Struktur von atmosphärisch plasmagespritzten (APS)TBCs sowie die Bildung und das Wachstum von Rissen unter thermisch zyklischer Belastung untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Infiltration sowie deren Kinetik im Brenner-Teststand wesentlich vom Benetzungsverhalten des CMAS beeinflusst werden. Trotz desoffensichtlichen Angriffs von CMAS auf die Korngrenzen hat die Wechselwirkung von Yttriumdioxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) mit intrudiertem CMAS keinen unmittelbaren Einfluss auf die Struktur und Dichte der innen Oberflächen(Risse, Poren). In einem späteren Stadium wird die Bildung von Rissen senkrecht zur äußeren Oberfläche in einer breiteren Zone der TBC-Schicht beobachtet.
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.
Um das Material- und Schädigungsverhalten von additiv gefertigtem Polyamid 12 (PA12) unter quasistatischer Belastung zu charakterisieren, wurden mechanische Tests und Röntgenverfahren zur Bestimmung der Mikrostruktur eingesetzt. Die Proben wurden nach dem Prinzip des Selektiven Lasersinterns (SLS) hergestellt. Unter quasistatischer Belastung mit Haltezeiten ergab sich ein viskoplastisches Materialverhalten. Im Zugversuch wurde eine maximale Zugfestigkeit von 40.6 MPa und eine Bruchdehnung von 7.4% beobachtet. Mittels Röntgenrefraktion wurde eine Erhöhung von inneren Oberflächen beobachtet, die senkrecht zur Zugrichtung orientiert sind. Die Analyse der Gesamtporosität aus Computertomographie-Messungen ergab keine Änderung infolge der Zugbelastung. Jedoch wurde eine bimodale Porengrößenverteilung und eine steigende Sphärizität festgestellt. Das Materialverhalten wurde mit dem Chaboche-Modell simuliert und ergab eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Allerdings gestattet dieses Modell nicht, das Schädigungsverhalten abzubilden. Daher wurde zur Simulation des Schädigungsverhaltens das Modell gemäß dem Ansatz von Gurson, Tvergaard und Needleman unter Berücksichtigung der mikrostrukturellen Parameter erweitert. Der Schwerpunkt des Beitrags liegt auf den Röntgenverfahren zur experimentellen Bestimmung der Mikrostruktur.
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 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 (z. B. 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) Klassifizierung von Defekttypen in additiv gefertigter Ti6Al4V-Legierung; d) Früherkennung des Versagens in Aluminium-Keramik-Verbundwerkstoffen (unter Verwendung von In-situ-Experimenten); e) 3D-Darstellung von Makrorissen und Faserentbindung in Verbundwerkstoffen auf Ti-Basis für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt (unter Verwendung von Röntgenbeugungstomographie).