Chemie und Prozesstechnik
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Additive Manufacturing (AM) in terms of laser powder-bed fusion (L-PBF) offers new prospects regarding the design of parts and enables therefore the production of lattice structures. These lattice structures shall be implemented in various industrial applications (e.g. gas turbines) for reasons of material savings or cooling
channels. However, internal defects, residual stress, and structural deviations from the nominal geometry are unavoidable.
In this work, the structural integrity of lattice structures manufactured by means of L-PBF was non-destructively investigated on a multiscale approach.
A workflow for quantitative 3D powder analysis in terms of particle size, particle shape, particle porosity, inter-particle distance and packing density was established.
Synchrotron computed tomography (CT) was used to correlate the packing
density with the particle size and particle shape. It was also observed that at least about 50% of the powder porosity was released during production of the struts.
Struts are the component of lattice structures and were investigated by means of laboratory CT. The focus was on the influence of the build angle on part porosity and surface quality. The surface topography analysis was advanced by the quantitative characterisation of re-entrant surface features. This characterisation was compared with conventional surface parameters showing their complementary
information, but also the need for AM specific surface parameters.
The mechanical behaviour of the lattice structure was investigated with in-situ CT under compression and successive digital volume correlation (DVC). The Deformation was found to be knot-dominated, and therefore the lattice folds unit cell layer wise.
The residual stress was determined experimentally for the first time in such lattice structures. Neutron diffraction was used for the non-destructive 3D stress investigation. The principal stress directions and values were determined in dependence of the number of measured directions. While a significant uni-axial stress state was found in the strut, a more hydrostatic stress state was found in the knot. In both cases, strut and knot, seven directions were at least needed to
find reliable principal stress directions.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften der photonenzählenden und spektralauflösenden Detektortechnik und möglichen Anwendungsgebieten in der zerstörungsfreien Prüfung. Dabei wurden konventionelle und photonenzählende Detektortechniken hinsichtlich der Bildqualität und Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Prüfaufgaben verglichen und untersucht, inwiefern sich die Energieschwellwertsetzung auf die erreichbare Bildqualität und eine Materialdiskriminierbarkeit bei verschiedenen radiographischen Verfahren auswirkt.
Anhand von Anwendungsbeispielen wurden diese Eigenschaften und deren Auswirkung auf das Messergebnis analysiert. Neben der Radiographie wurden auch dreidimensionale Verfahren wie CT und Laminographie berücksichtigt.
Als eine der wichtigsten Eigenschaften der photonenzählenden Detektortechnik wurden zunächst die Energieauflösung des photonenzählenden Detektors und die Homogenität der Energieantwort über größere Detektorbereiche bestimmt. Dabei stellte sich heraus, dass die Energieauflösung eines abgegrenzten Detektorbereichs ca. 32 % bei 60 keV beträgt und die Streuung in der Energieantwort der einzelnen Detektorbereiche ca. 12 % ausmacht, woraus sich eine Gesamtunsicherheit in der spektralen Detektorantwort von ca. 44 % ergibt. Die geringe Energieauflösung und das stark heterogene Verhalten der Detektorbereiche ergeben sich vor allem aus der Detektorelektronik, welche nur eine globale Energieschwellwertsetzung zulässt.
Trotz dieser Einschränkungen konnte demonstriert werden, dass auch konventionelle radiographische Verfahren, wie Radiographie oder CT, vom Einsatz der photonenzählenden Technik profitieren. So ist es mit dieser Technik möglich, bei sehr geringen Dosisleistungen (z.B. aufgrund der Durchstrahlung großer Wandstärken von dichten Materialien) noch sehr gute Bildqualitäten zu erreichen. Die hohe Dynamik und Kontrastempfindlichkeit dieser Technik begünstigen die Inspektion von Leichtbauwerkstoffen wie Faserverbunde, was anhand von Vergleichen mit herkömmlicher Detektortechnik und anderen ZfP-Verfahren gezeigt werden konnte. Daneben konnte durch den Einsatz der Energieschwellwertsetzung der Einfluss von nicht bildzeichnender Streustrahlung im Röntgenbild um bis zu 20 % reduziert werden. Die Auswirkungen von Aufhärtungseffekten in der CT konnten sogar um bis zu Faktor 1 000 (in der mittleren quadratischen Abweichung), im Vergleich zu herkömmlicher Detektortechnik, reduziert werden.
Der Einsatz von photonenzählender Detektortechnik mit Röntgenblitzröhren ist hingegen nicht sinnvoll, da aufgrund der hohen Photonendichte pro Puls und einer endlichen Totzeit des Detektors in der Größenordnung der Pulsbreite eines Blitzes nur ein geringes Signal detektiert werden kann.
Im Hinblick auf eine Materialdiskriminierbarkeit konnte demonstriert werden, dass im Fall einer Radiographie anhand der Energieschwellwertsetzung im Detektor eine materialstärkenunabhängige Diskriminierung zwischen zwei Materialien (hier: Al und Fe) erzielt werden kann. Unter Einsatz mehrerer Energiefenster und eines Verfahrens der explorativen und multivariaten Datenanalyse konnte eine materialaufgelöste CT eines Multi-Material-Phantoms erreicht werden, wobei die Schwächungskoeffizienten der enthaltenen Materialien im relevanten Energieberiech teilweise sehr dicht beieinander lagen.
Neben Radiographie und CT wurde auch die Möglichkeit einer materialaufgelösten Laminographie am Beispiel eines glasfaserverstärkten Rotorblatts untersucht. Anhand der Energieschwellwertsetzung war nicht nur eine eindeutige Trennung der Glasfasern von der Epoxidharzmatrix möglich, sondern auch eine signifikante Reduzierung der durch die Laminographie entstandenen Artefakte. Der damit verbundene Gewinn an Information führt zu einer verbesserten Aussagefähigkeit des Untersuchungsergebnisses, was letztendlich eine gesteigerte Betriebssicherheit zur Folge hat.
Digital Volume Correlation (DVC) is a powerful set of techniques used to compute the local shifts of 3D images obtained, for instance, in tomographic experiments. It is utilized to analyze the geometric changes of the investigated object as well as to correct the corresponding image misalignments for further analysis. It can therefore be used to evaluate the local density changes of the same regions of the inspected specimens, which might be shifted between measurements. In recent years, various approaches and corresponding pieces of software were introduced. Accuracies for the computed shift vectors of up to about 1‰of a single voxel size have been reported. These results, however, were based either on synthetic datasets or on an unrealistic setup. In this work, we propose two simple methods to evaluate the accuracy of DVC-techniques using more realistic input data and apply them to several DVC programs. We test these methods on three materials (tuff, sandstone, and concrete) that show different contrast and structural features.
Nominal-actual comparisons are routinely performed to compare a manufactured specimen to a reference specimen. X-ray Computed Tomography (CT) has brought a profound change in the way that tolerance verifications are performed in industry, by allowing the inner and outer geometries of an object to be measured, without the need for external access or destructive testing. As a results, CT is increasingly used in additive manufacturing applications, where a nominal-actual comparison performed between the digital model (CAD file), used as an input for the 3D printer, and the CT volume from the printed part, can provide invaluable information as to the accuracy of the printing process. However, the nominal-actual comparison process is somewhat different when applied to additively manufactured specimens by comparison to conventionally manufactured specimens.
Nominal-actual comparisons are routinely performed to compare a manufactured specimen to a reference specimen. X-ray Computed Tomography (CT) has brought a profound change in the way that tolerance verifications are performed in industry, by allowing the inner and outer geometries of an object to be measured, without the need for external access or destructive testing. As a results, CT is increasingly used in additive manufacturing applications, where a nominal-actual comparison performed between the digital model (CAD file), used as an input for the 3D printer, and the CT volume from the printed part, can provide invaluable information as to the accuracy of the printing process. However, the nominal-actual comparison process is somewhat different when applied to additively manufactured specimens by comparison to conventionally manufactured specimens.
One of the great strengths of X-ray computed tomography over conventional inspection methods (ultrasound, thermography, radiography) is that it can image damage in 3D. However for curved or deformed composite panels, it can be difficult to automatically ascribe the damage to specific plies or inter-ply interfaces. An X-ray computed tomography (CT) data processing methodology is developed to extract the through-thickness distribution of damage in curved or deformed composite panels. The method is applied to [(0°/90°)2]s carbon fibre reinforced polymer (CFRP) panels subjected low velocity impact damage (5 J up to 20 J) providing 3D ply-by-ply damage visualisation and analysis. Our distance transform approach allows slices to be taken that approximately follow the composite curvature allowing the impact damage to be separated, visualised and quantified in 3D on a ply-by-ply basis. In this way the interply delaminations have been mapped, showing characteristic peanut shaped delaminations with the major axis oriented with the fibres in the ply below the interface. This registry to the profile of the panel constitutes a significant improvement in our ability to characterise impact damage in composite laminates and extract relevant measurements from X-ray CT datasets.