5 Werkstofftechnik
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Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe ist eine Technologie, die zunehmend Gegenstand von Forschungsaktivitäten und industrieller Anwendung ist. Dennoch steht sie noch vor Herausforderungen, um eine breite Nutzung in sicherheitsrelevanten Anwendungen zu erreichen. Die Hauptgründe für die Verzögerung des technologischen Durchbruchs zugunsten von AM-Metallen gegenüber konventionell hergestellten Varianten sind das Fehlen eines tieferen Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die begrenzte Verfügbarkeit von Daten zu den Materialeigenschaften. In diesem Kontext stellt diese Arbeit einen Beitrag sowohl zum Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen als auch zur Verbesserung der Datenlage von 316L dar, einem häufig als Konstruktionswerkstoff in verschiedenen Hochtemperaturbauteilen verwendeten Werkstoff. Die Arbeit legt den Fokus auf die mittels Laser-Pulverbettschmelzen hergestellte Werkstoffvariante, PBF-LB/M/316L. Eine konventionell hergestellte Variante, HR/316L, wurde auch untersucht. Bei PBF-LB/M/316L wurde zusätzlich der Effekt ausgewählter Wärmebehandlungen ausgewertet. Die Untersuchung umfasste die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Verformungs- und Schädigungsmechanismen bei erhöhten Prüftemperaturen bei LCF und Kriechen, wo die Daten und Wissenslage am spärlichsten ist. Außerdem hat die untersuchte PBF-LB/M/316L-Wersktoffvariante einen geringen Porositätsgrad. Somit hat diese Arbeit die Mikrostruktur stärker in den Fokus genommen als die meisten bisher in der Literatur verfügbaren Studien.
Die mechanische Prüfkampagne umfasste Zugversuche zwischen Raumtemperatur und 650 °C, LCF-Versuche zwischen Raumtemperatur und 600 °C sowie Kriechversuche bei 600 °C und 650 °C. In Ermangelung konkreter Richtlinien und Normen wurde die Charakterisierung zumeist anhand der bestehenden internationalen Prüfnormen und Probengeometrien durchgeführt. Aus jedem dieser Prüfverfahren wurden die entsprechenden Festigkeits- und Verformungskennwerte ermittelt. Darüber hinaus wurde mit Hilfe gezielter mikrostruktureller Untersuchungen ein Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die Verformungs- und Schädigungsmechanismen geleistet.
Die Dehngrenze von PBF-LB/M/316L ist etwa doppelt so hoch wie die von HR/316L und dieser Trend setzt sich mit ansteigender Prüftemperatur fort. Die Bruchdehnung ist bei allen Prüftemperaturen geringer. PBF-LB/M/316L weist über den größten Teil der Ermüdungslebensdauer vor allem bei Raumtemperatur höhere zyklische Spannungen als HR/316L auf. Ausschließlich bei den kleinsten Dehnungs-schwingbreiten sind die Ermüdungslebensdauer ausgeprägt kürzer. Das Wechselverformungsverhalten von PBF-LB/M/316L ist durch eine Anfangsverfestigung gefolgt von einer kontinuierlichen Entfestigung charakterisiert, welche bis zum Auftreten der zum Versagen führenden Entfestigung stattfindet. Die Kriechbruchzeiten und die Dauer jeder Kriechphase sind bei allen Kombinationen von Prüfparametern bei PBF-LB/M/316 kürzer als bei HR/316L. Die Spannungsabhängigkeit von PBF-LB/M/316L ist im Vergleich zu HR/316L geringer und die Duktilität beim Kriechen kleiner. Die minimale Kriechrate wird bei allen geprüften Parameterkombinationen bei deutlich geringeren Kriechdehnungen erreicht. Eine Wärmebehandlung bei 450 °C / 4 h bewirkt keine wesentliche Änderungen der Mikrostruktur und Zugversuchseigenschaften. Eine zusätzliche Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h verursacht eine Abnahme der Dehngrenze des PBF-LB/M/316L. Diese blieb aber immer noch um den Faktor 1,5x höher als bei HR/316L. Die Verformungsmerkmale wurden kaum davon beeinflusst. Bezüglich des Kriechverhaltens hat die Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h längere sekundäre und tertiäre Kriechstadien bewirkt und die Kriechdehnung hat sich signifikant erhöht. Die Bruchbilder unterscheiden sich generell nicht nur aber vor allem mit ansteigender Prüftemperatur, bei der bei PBF-LB/M/316L oft interkristalline Rissbildung beobachtet wurde. Die Zellstruktur trägt als der Hauptfaktor zu den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur HR/316L-Variante bei. Darüber hinaus spielen mutmaßlich die Kornmorphologie, die Stapelfehlerenergie und der Stickstoffgehalt eine Rolle.
This research deals with the development of the Vickers hardness knowledge graph, mapping the example dataset in them, and exporting the data-mapped knowledge graph as a machine-readable Resource Description Framework (RDF). Modeling the knowledge graph according to the standardized test procedure and using the appropriate upper-level ontologies were taken into consideration to develop the highly standardized, incorporable, and industrial applicable models. Furthermore, the Ontopanel approach was utilized for mapping the real experimental data in the developed knowledge graphs and the resulting RDF files were successfully evaluated through the SPARQL queries.
Up to now, oriented surface crystallization phenomena are discussed controversially, and related studies are restricted to few glasses. For silicate glasses we found a good correlation between the calculated surface energy of crystal faces and oriented surface nucleation. Surface energies were estimated assuming that crystal surfaces resemble minimum energy crack paths along the given crystal plane. This concept was successfully applied at the Institute of Physics of Rennes in calculating fracture surface energies of glasses. Several oriented nucleation phenomena can be herby explained assuming that high energy crystal surfaces tend to be wetted by the melt. This would minimize the total interfacial energy of the nucleus. Furthermore, we will discuss the evolution of the microstructure and its effect on the preferred crystal orientation.
Bislang wird das Phänomen der orientierten Oberflächenkristallisation kontrovers diskutiert und entsprechende Studien beschränken sich auf nur wenige Gläser. Für Silikatgläser haben wir eine gute Korrelation zwischen der berechneten Oberflächenenergie von Kristallflächen und der orientierten Oberflächenkeimbildung gefunden. Die Oberflächenenergien wurden unter der Annahme abgeschätzt, dass die Kristalloberflächen bei der Keimbildung den Kristallebenen mit minimaler Energie entsprechen, denen ein Riss beim Bruch folgt. Dieses Konzept wurde am Institut für Physik in Rennes erfolgreich bei der Berechnung der Bruchflächenenergien von Gläsern angewandt. Mehrere orientierte Keimbildungsphänomene lassen sich dadurch erklären, dass man annimmt, dass Kristalloberflächen mit hoher Energie dazu neigen, von der Schmelze benetzt zu werden. Dies minimiert die gesamte Grenzflächenenergie des Keims. Darüber hinaus werden wir die Entwicklung der Mikrostruktur beim weiteren Kristallwachstum und ihre Auswirkungen auf die bevorzugte Kristallorientierung diskutieren.
The present work addresses powder bed binder jetting additive manufacturing by selective magnesium phosphate cement activation. Despite the potential of this technology to aid the digitalization of the construction industry, the effect of processing parameters on the mechanical performance of printed materials has not yet been studied to generate a guideline for the further development of the technology. Statistical methodologies were used to screen the effect of four printing process parameters (printing speed, layer thickness, raster angle, and build direction on flexural and compressive strength). As the exploited technology works with constant fluid pressure, the physical interpretation of the effect of each factor can be considered taking into account the interactions between the binder materials in the powder bed. Analysis of variance (ANOVA) indicated that printing speed and layer thickness significantly affect mechanical performances. Furthermore, the layout of samples for the printing process is preferable to be parallel the printhead movement. An anisotropic behavior was observed, and the samples subjected to compressive forces parallel to the layer plane possessed lower strength values. This effect can be interpreted as a result of a weak area of low density in between layers, leading to a pronounced delamination under compression. Even though the strength of the printed material is not suitable for a structural concrete, it can be marginally improved by design of experiment and optimized for non-structural applications, such as for porous artificial stone. Design of experiment coupled with ANOVA methods can be used in the future to support the development of novel material mixtures, thus expanding the fields of application of this novel additive manufacturing technology.
Electron Back Scatter Diffraction (EBSD) is a very versatile analytical technique allowing for the characterization of material structure. Historically, diffraction images (Kikuchi patterns) registered during EBSD analysis were solved using Hough/Radon transformation. The last decade brought several novel techniques of experimental pattern analysis, focusing entirely on image analysis routines such as pattern matching, or various variants of High-Resolution EBSD. However, all the above-mentioned techniques require prior knowledge of the material structure to perform orientation analysis. The recently presented algorithm employed in Crystallographic Analysis of Lattice Metric (CALM) software, effectively removes this limitation enabling a standard-less analytical approach in EBSD systems. At its core, the CALM technique couples accurate detection of the Kikuchi bands position, with a rigid construction of reciprocal lattice resulting from translational crystal symmetry. A unique characteristic of the methodology also gives an opportunity for application in the analysis of continuous lattice changes, for example tetragonality mapping. During mapping, however, the geometry of the gnomonic projection (represented by the projection center) is continuously altered decreasing overall algorithm efficiency. The work presents an analysis of the projection center in terms of precision and accuracy.
Following the new paradigm of materials development, design, and optimization, digitalization is the main goal in materials sciences and engineering (MSE) which imposes a huge challenge. In this respect, the quality assurance of processes and output data as well as the interoperability between applications following FAIR principles are to be ensured. For storage, processing, and querying of data in contextualized form, Semantic Web technologies (SWT) are used since they allow for machine-actionable and human-readable knowledge representations needed for data management, retrieval, and (re)use.
The project ‘platform MaterialDigital’ (PMD) aims to bring together and support interested parties from both industrial and academic sectors in a sustainable manner in solving digitalization tasks and implementing digital solutions. Therefore, the establishment of a virtual material data space and the systematization of the handling of hierarchical, process-dependent material data are focused. Core points to be dealt with are the development of agreements on data structures and interfaces implemented in distinct software tools and to offer users specific support in their projects. Furthermore, the platform contributes to a standardized description of data processing methods in materials research. In this respect, selected MSE methods are semantically represented on a prototypical basis which are supposed to serve as best practice examples with respect to knowledge representation and the creation of knowledge graphs used for material data.
Accordingly, this poster presentation illustrates demonstrators developed and deployed within the PMD project. Semantically anchored using the mid-level PMD Core Ontology (PMDco), they address data transformation leading to a novel data management which is based on semantic integrated data. The PMD data acquisition pipeline (DAP), which is fueled by traditional, diverse data formats, and a pipeline applying an electronic laboratory notebook (ELN) as data source are displayed. Additionally, the efficient combination of diverse datasets originating from different sources is demonstrated by the representation of a use case dealing with the well-known Orowan relation.
Functional fatigue of shape-memory alloys is a considerable threat to the reliable service of actuation devices. Here, we demonstrate the essentially degradation-free cyclic phase-transformation behavior of Ni-Mn-Ga microcrystals up to one million stress-driven superelastic cycles. Cyclic dissipation amounts to about 1/5 of the bulk counterpart and remains unaffected during cycling, even after the introduction of dislocation structures via plastic straining. Plastic yielding and the transformation stress largely exceed the known bulk values. However, the transformation-stress is found to depend on plastic pre-straining, which suggests that the size-affected transformation stress is sensitive to the initial defect structure and that it can be tuned by a targeted introduction of dislocations. These findings demonstrate the high suitability of Ni-Mn-Ga as a robust shape-memory alloy in small-scale functional device engineering.
In order to be able to manipulate ceramic powder compacts and ceramic suspensions (slurries) within their volume with light, a minimum transparency of the materials is required. Compared to polymers and metals, ceramic materials are characterized by the fact that they have a wide electronic band gap and therefore a wide optical window of transparency. The optical window generally ranges from less than 0.3 µm to 5 µm wavelength. In order to focus light into the volume of a ceramic powder compact, its light scattering properties must therefore be tailored. In this study, we present the physical background and material development strategies for the application of two-photon polymerization (2PP) and selective volumetric sintering for the additive manufacturing of structures in the volume of ceramic slips and green compacts.
Manipulating ceramic powder compacts and ceramic suspensions (slurries) within their volume with light requires a minimum transparency of the materials. Compared to polymers and metals, ceramic materials are unique as they offer a wide electronic band gap and thus a wide optical window of transparency. The optical window typically ranges from below 0.3 µm up to 5µm wavelength. Hence, to penetrate with light into the volume of a ceramic powder compound, its light scattering properties need to be investigated and tailored. In the present study we introduce the physical background and material development strategies to apply two-photon-polymerization (2PP), and other volumetric methods for the additive manufacture of filigree structures within the volume of ceramic slurries.