Additive Fertigung
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The general term additive manufacturing (AM) encompasses processes that enable the production of parts in a single manufacturing step. Among these, laser powder bed fusion (PBF-LB) is one of the most commonly used to produce metal components. In essence, a laser locally melts powder particles in a powder bed layer-by-layer to incrementally build a part. As a result, this process offers immense manufacturing flexibility and superior geometric design capabilities compared to conventional processes. However, these advantages come at a cost: the localized processing inevitably induces large thermal gradients, resulting in the formation of large thermal stress during manufacturing. In the best case, residual stress remains in the final parts produced as a footprint of this thermal stress. Since residual stress is well known to exacerbate the structural integrity of components, their assessment is important in two respects. First, to optimize process parameter to minimize residual stress magnitudes. Second, to study their effect on the structural integrity of components (e.g., validation of numerical models). Therefore, a reliable experimental assessment of residual stress is an important factor for the successful application of PBF-LB. In this context, diffraction-based techniques allow the non-destructive characterization of the residual stress. In essence, lattice strain is calculated from interplanar distances by application of Braggs law. From the known lattice strain, macroscopic stress can be determined using Hooke’s law. To allow the accurate assessment of the residual stress distribution by such methods, a couple of challenges in regard of the characteristic PBF-LB microstructures need to be overcome.
This presentation highlights some of the challenges regarding the accurate assessment of residual stress in PBF-LB on the example of the Nickel-based alloy Inconel 718. The most significant influencing factors are the use of the correct diffraction elastic constants, the choice of the stress-free reference, and the consideration of the crystallographic texture. Further, it is shown that laboratory X-ray diffraction methods characterizing residual stress at the surface are biased by the inherent surface roughness. Overall, the impact of the characteristic microstructure is most significant for the selection of the correct diffraction elastic constants. In view of the localized melting and solidification, no significant gradients of the stress-free reference are observed, even though the cell-like solidification sub-structure is known to be heterogeneous on the micro-scale.
The damage mechanisms of metallic components produced by process laser powder bed fusion differ significantly from those typically observed in conventionally manufactured variants of the same alloy. This is due to the unique microstructures of additively manufactured materials. Herein, the focus is on the study of the evolution of creep damage in stainless steel 316L specimens produced by laser powder bed fusion. X-ray computed tomography is used to unravel the influence of the process-specific microstructure from the influence of the initial void distribution on creep damage mechanisms. The void distribution of two specimens tested at 600 °C and 650 °C is analyzed before a creep test, after an interruption, and after fracture. The results indicate that the formation of damage is not connected to the initial void distribution. Instead, damage accumulation at grain boundaries resulting from intergranular cracking is observed.
Laser powder bed fusion (PBF-LB/M) of metallic alloys is a layer-wise additive manufacturing process that provides significant scope for more efficient designs of components, benefiting performance and weight, leading to efficiency improvements for various sectors of industry. However, to benefit from these design freedoms, knowledge of the high produced induced residual stress and mechanical property anisotropy associated with the unique microstructures is critical. X-ray and neutron diffraction are considered the benchmark for non-destructive characterization of surface and bulk internal residual stress. The latter, characterized by the high penetration power in most engineering alloys, allows for the use of a diffraction angle close to 90° enabling a near cubic sampling volume to be specified. However, the complex microstructures of columnar growth with inherent crystallographic texture typically produced during PBF-LB/M of metallics present significant challenges to the assumptions typically required for time efficient determination of residual stress. These challenges include the selection of an appropriate set of diffraction elastic constants and a representative lattice plane suitable for residual stress analysis. In this contribution, the selection of a suitable lattice plane family for residual stress analysis is explored. Furthermore, the determination of an appropriate set of diffraction and single-crystal elastic constants depending on the underlying microstructure is addressed.
In-situ loading experiments have been performed at the Swiss Spallation Neutron Source with the main scope to study the deformation behaviour of laser powder bed fused Inconel 718. Cylindrical tensile bars have been subjected to an increasing mechanical load. At pre-defined steps, neutron diffraction data has been collected. After reaching the yield limit, unloads have been performed to study the accumulation of intergranular strain among various lattice plane families.
As industries move for ever faster development and adoption cycles of emerging new technologies in the field of welding, the meticulous and longer-winded approach of the scientific research process can feel harder to integrate. To help bridge this gap and increase the speed, quality, and adoption rate of publicly funded research, the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) continues to work towards enabling scientists with direct access to necessary software tools and - in the future – highest quality welding research reference data to further foster collaborations.
On the experimental side, the arc welding group at BAM division 9.3 “welding technologies” is continuing to expand and upgrade its capacities of robotic welding systems with integrated state of the art sensor technologies and software solutions. This allows all experiments to be recorded and measured in micro-millimeter accuracy and at sub-millisecond precision, including welding process data, complete spatial geometry and temperature measurements, process video recordings and more. The custom software-based solutions and interfaces allow scaling of the welding systems from large thick plate offshore applications to small additive repair weldments in wind turbine blades to multi-hour continuous weldments in additive manufacturing applications. In addition to the data gathered during the welding process itself, the relevant testing results and materials properties produced at BAM or externally can be integrated seamlessly. This allows detailed traceability of all results back to the actual welding process.
Regardless of the scope and application, complete datasets can be made accessible for research or industry partners in the highest resolution based on the open source WelDX (welding data exchange) file format.
Figure 1. Welding experiment representation including dynamic process data, cross-section imaging and hardness measurements from a single weldx file.
The talk will give an overview of the experimental facilities and workflows as well as current software developments with a focus on research data quality assurance, traceability, and accessibility.
Based on the integration into latest research trends and activities of the “welding technologies” division, the path to publishing reference datasets for arc welding process for various applications and materials is outlined and discussed.
Die metallische additive Fertigung hat in den letzten Jahren in der industriellen Fertigung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei dominiert das Laser-Pulverbettschweißen von Metallen (PBF/LB-M) die Fertigung von kleinformatigen Bauteilen mit hoher Oberflächengüte. Die anspruchsvolle und kostspielige Qualitätssicherung stellt aber weiterhin ein Hindernis für eine breitere und kostengünstigere Anwendung der additiven Fertigung dar. Dies resultiert teilweise aus fehlenden zuverlässigen In-situ-Monitoringsystemen. Belastbarere Prozessüberwachungsdaten würden eine oft erforderliche teure nachgelagerte Prüfung mittels Computertomografie entbehrlich machen. Die Aufzeichnung der thermischen Signaturen des Aufbauprozess mittels Thermografie-Kameras zeigen hier vielversprechende Ergebnisse. Eine Korrelation zu auftretender Porosität, Delaminationen und Deformationen scheinen möglich. Die geringe räumliche Auflösung und die hohen Anschaffungskosten für thermografische Kamerasysteme stehen jedoch einer größeren industriellen Nutzung im Wege.
Ein bereits industriell angewendeter Ansatz zur in-Situ Überwachung des PBF-LB/M Prozesses ist die Optische Tomografie (OT). Hierbei wird die emittierte Prozessstrahlung jeder Bauteilschicht mittels einer hochauflösenden günstigen Kamera für den sichtbaren Wellenlängenbereich in einer Langzeitbelichtung dokumentiert. Die zeitliche Information der emittierten Strahlung geht hierbei verloren. Der gesamte Bauprozess kann jedoch in einem vergleichsweise kleinen Datensatz dokumentiert werden (ein Bild pro Schicht). Eine direkte Korrelation zu auftretenden Defekten gestaltet sich aufgrund der reduzierten thermischen Informationsdichte jedoch schwierig.
In diesem Beitrag soll deshalb das Prinzip der Multispektralen Optischen Tomografie (MOT) vorgestellt und erste Messergebnisse an der Forschungsanlage SAMMIE diskutiert werden. Bei der MOT handelt es sich um eine Übertragung des Prinzips der Quotientenpyrometrie auf das etablierte Verfahren der Optischen Tomografie. Die auftretende Prozessstrahlung wird in mehreren Wellenlängenbereichen ortsaufgelöst über die gesamte Bauplattform erfasst und zeitlich in einer Langzeitbelichtung integriert. Hierbei kommen günstige Kamerasysteme für den sichtbaren Wellenlängenbereich zum Einsatz.
Das erfasste Signal I jedes Bildpixels für jeden separat erfassten Wellenlängenbereich kann als Maß für das zeitliche Integral der spezifischen Ausstrahlung M des Schmelzbades in diesem Wellenlängenbereich gesehen werden. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz hängt die abgestrahlte thermische Leistung P eines idealen Schwarzen Körpers in der vierten Potenz von dessen absoluten Temperatur T ab. Wird nur, wie z.B. bei der klassischen OT angewendet, der nahinfrarote Wellenlängenbereich betrachtet, lässt sich mit dem Planck’schen Strahlungsgesetz sogar eine Proportionalität zur siebten Potenz der Temperatur zeigen. Deshalb liegt ein starker Einfluss der maximal auftretenden Oberflächentemperatur Tmax auf das erfasste Messsignal vor.
Das erfasste Signal I wird aber auch durch die spektrale Transmission τ der verwendeten optischen Komponenten des Kamera-Setups, z.B. Filter und Objektive, durch die spektrale Sensitivität S der verwendeten Kamera-Sensoren und den nur sehr schwer zu bestimmenden Emissionsgrad ε der emittierenden (flüssigen) Oberfläche beeinflusst.
In einer ersten Näherung wird das Schmelzbad hier als Graukörper, also ein Körper mit wellenlängenunabhängigem Emissionsgrad ε, betrachtet. Basierend auf dieser Annahme und vermessenen optischen Eigenschaften des verwendeten Systems ist es möglich, eine erste Schätzung der maximalen Oberflächentemperatur Tmax vorzunehmen, selbst ohne genaue Kenntnis des tatsächlichen Emissionsgrades ε. Dies wird durch die Anwendung des Planck‘schen Strahlungsgesetzes und die Quotienten Bildung aus den einzelnen erfassten Signalen I ermöglicht.
Auch bei diesem Verfahren geht die zeitliche Information einer Schicht, also das Aufwärm- und Abkühlverhalten des Schmelzbades, verloren. Zudem sind die Messergebnisse in Hinblick auf tatsächlich gemessene „maximal auftretende Oberflächentemperatur“ mit gebotener Zurückhaltung zu interpretieren. Trotzdem konnten erste Ergebnisse bereits zeigen, dass die MOT-Daten auch in Bereichen mit Doppelbelichtungen (das teilweise notwendige mehrfache Scannen eines Bereiches mittels des Fertigungslasers) im Gegensatz zur klassischen OT erwartbare Maximaltemperaturen liefern. Abbildung 1 zeigt das erfasste Messergebnis für drei aufeinanderfolgende Schichten eines Bauteils einmal mit MOT (links) und einmal mit einfacher OT (rechts). Deutlich zu erkennen ist das durch die doppelte Belichtung hohe Signal bei der OT. Die Daten der MOT zeigen hier keine erhöhten Werte.
Um die ermittelten Temperaturwerte mittels MOT besser einordnen zu können, sind u.a. vergleichende Messungen an Referenzmaterialien geplant. Um die Auswertung der gemessenen Daten zu verbessern, wird zudem der Zeitverlauf des Abkühlens und Aufheizens des Schmelzbades sowie die Einflüsse von Prozessbeiprodukten wie Schmauch und Spritzer näher untersucht. Auch werden Messungen zum Emissionsgrad ε an additiv gefertigten Proben und Metallschmelzen vorgenommen.
Im additiven Fertigungsprozess Laser-Pulverbettschweißen wird Metallpulver lagenweise mittels eines Lasers aufgeschmolzen, um Bauteile zu generieren. Hierbei werden die Eigenschaften der Bauteile zu einem großen Teil durch die im Verlauf des Prozesses vorliegenden Temperaturen bestimmt. Dies beinhaltet unter anderem Materialeigenschaften wie Mikrostruktur, Härte, thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie die Ausbildung von Defekten wie z.B. Anbindungsfehler, Keyhole-Porosität (Gaseinschlüsse) oder auch die Ausbildung von Rissen. Zur Überwachung bzw. Vorhersage dieser Eigenschaften sowie zum Abgleich von Simulationen ist eine orts- und zeitaufgelöste Messung der Temperaturverteilung im Prozess daher von herausragender Bedeutung. In der Industrie kommen optische Verfahren, die auf der Messung der thermischen Strahlung basieren, regelmäßig zum Einsatz. Allerdings dienen diese bislang nur der statistischen Auswertung und der Identifikation von Abweichungen vom Normalprozess. Der quantitativen Auswertung zur Temperaturbestimmung stehen aktuell noch eine Vielzahl von Herausforderungen entgegen. Einerseits stellt der Prozess an sich hohe Anforderungen an die Datenerfassung und -auswertung: der Emissionsgrad verändert sich dynamisch im Prozess und lokale Schmauchbildung sorgt für potenzielle Absorption oder Streuung der thermischen Strahlung oder auch des Fertigungslasers. Weiterhin stellt der hochdynamische Prozess hohe Anforderungen an Orts- und Zeitauflösung der eingesetzten Sensorik (z.B. Kameratechnik). Andererseits erschweren an üblichen kommerziell erhältlichen Fertigungsanlagen praktische Hindernisse wie eine eingeschränkte optische Zugänglichkeit und der fehlende Zugriff auf die Anlagensteuerung sowie fehlende Möglichkeiten der Synchronisation der Messtechnik mit dem Prozess eine eingehende Untersuchung dieser Effekte.
Um letztere Hindernisse zu umgehen, wurde an der BAM die Forschungsanlage SAMMIE (sensor-based additive manufacturing machine) entwickelt. Einerseits bietet das System alle Möglichkeiten, die auch übliche kommerzielle Systeme bieten. Dies beinhaltet die Fertigung ganzer Bauteile (maximale Größe ca. 65mm x 45 mm x 30 mm) und den Einsatz einer Inertgasatmosphäre inkl. gefiltertem Schutzgasstrom. Andererseits bietet es aber auch einen besonders kompakten Bauraum, um die Sensorik möglichst nah an den Prozess führen zu können, sechs optische Fenster zur Prozessbeobachtung aus unterschiedlichen Winkeln und die Möglichkeit der Prozessbeobachtung koaxial zum Fertigungslaser. Des Weiteren besteht eine einfache Austauschbarkeit aller Fenster, Spiegel und Strahlteiler, um den gesamten optischen Pfad der aktuellen Messaufgabe flexibel anzupassen. Die komplette Anlagensteuerung ist eine Eigenentwicklung und bietet daher auch völlige Anpassbarkeit. Eine synchrone und frei konfigurierbare Triggerung diverser Sensoriken und synchrone Datenerfassung bieten maximale Kontrolle über die Sensorsteuerung.
Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Fertigungsanlage SAMMIE. Wissenschaftliche Ergebnisse sowie laufende Arbeiten an der Anlage werden in weiteren Beiträgen vorgestellt.
Die additive Fertigung von Metallen hat inzwischen einen Reifegrad erreicht, der einen Einsatz in vielen Industriezweigen ermöglicht oder in greifbare Nähe rückt. Die Vorteile liegen vor allem in der Möglichkeit der Fertigung komplexer Bauteile, die sich konventionell nicht oder nur sehr aufwändig produzieren lassen, sowie in der Fertigung von hochindividualisierten Bauteilen in kleinen Stückzahlen. Allerdings ist der additive Fertigungsprozess hoch komplex und fehleranfällig. Um eine insbesondere für sicherheitsrelevante Bauteile notwendige Qualitätskontrolle zu gewährleisten, ist aktuell aufwändige nachgelagerte ZfP der einzelnen Bauteile notwendig. Alternativen könnten die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung bieten, die aktuell aber noch keinen ausreichenden Entwicklungsstand erreicht haben. Industrielle Fertigungsanlagen bieten keine oder nur geringe Flexibilität und Zugänglichkeit, um umfangreiche Untersuchungen auf diesem Gebiet zu ermöglichen. Daher haben wir an der BAM ein System für den Prozess des selektiven Laserschmelzens (PBF-LB/M) entwickelt, genannt SAMMIE. Es bietet eine komplett offene Systemarchitektur mit voller Kontrolle über den Prozess und flexiblem Zugang zur Baukammer, z.B. optisch sowohl direkt als auch koaxial zum Fertigungslaser. In diesem Beitrag stellen wir das System vor und zeigen erste experimentelle Ergebnisse der In-situ-Überwachung und -prüfung: Thermografische Schmelzbadüberwachung, optische Tomografie und In-situ-Laserthermografie. SAMMIE ermöglicht uns grundlegende Untersuchungen, die helfen werden, die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung weiterzuentwickeln, neue Erkenntnisse über die additive Fertigung zu gewinnen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Prozesses zu verbessern.
For a deep process understanding of the laser powder bed fusion process (PBF-LB/M), recording of the occurring surface temperatures is of utmost interest and would help to pave the way for reliable process monitoring and quality assurance. A notable number of approaches for in-process monitoring of the PBF-LB/M process focus on the monitoring of thermal process signatures. However, due to the elaborate calibration effort and the lack of knowledge about the occurring spectral directional emissivity, only a few approaches attempt to measure real temperatures. In this study, to gain initial insights into occurring in the PBF-LB/M process, measurements on PBF-LB/M specimens and metal powder specimens were performed for higher temperatures up to T = 1290 °C by means of the emissivity measurement apparatus (EMMA) of the Center for Applied Energy Research (CAE, Wuerzburg, Germany). Also, measurements at ambient temperatures were performed with a suitable measurement setup. Two different materials—stainless steel 316L and aluminum AlSi10Mg—were examined. The investigated wavelength λ ranges from the visible range (λ-VIS = 0.40–0.75 µm) up to the infrared, λ = 20 µm. The influence of the following factors were investigated: azimuth angle φ, specimen temperature TS, surface texture as for PBF-LB/M surfaces with different scan angles α, and powder surfaces with different layer thicknesses t.
Motivated by the aim of developing an additive manufacturing (AM) technology easily integrated in the process chains of the ceramic industry, the LSD-print technology was conceived as a slurry-based variation of binder jetting (BJ).
BJ and other powder bed technologies (such as powder bed fusion) are amongst the most successful AM techniques, especially for metals and polymers, thanks to their high productivity and scalability. The possibility to use commercially available feedstocks (in the form of powders or granules) makes BJ also attractive for ceramic materials. The application of these techniques to most advanced ceramics has however been difficult so far, because of the limitations in depositing homogeneous layers with fine, typically poorly flowable powders.
In this context, the "layerwise slurry deposition" (LSD) was proposed at TU Clausthal (Germany) as a slurry-based deposition of ceramic layers by means of a doctor blade. Combined with layer-by-layer laser sintering of the material, the LSD process was originally demonstrated for the rapid prototyping of silicate ceramics. Due to the difficulties in controlling the microstructure and the defect formation in laser-sintered technical ceramics, the LSD process was later combined with inkjet printing in the LSD-print technology, which has been further developed at BAM (Germany) in the past decade.
The LSD-print technology combines the high speed of inkjet printing, typical of BJ, with the possibility of producing a variety of high-quality ceramics with properties comparable to those achieved by traditional processing. Due to the mechanical stability of the powder bed, the process can also be carried out with continuous layer deposition on a rotating platform, which further increases its productivity.
This presentation will delve into 10 years of research on the LSD-print of a wide variety of technical ceramics including alumina, silicon carbides and dental ceramics. The discussion highlights how a seemingly small process and feedstock modification (from powders to slurries) has great influence on the challenges and potential of this process, which are being addressed on its path to industrialization.
Powder bed technologies are amongst the most successful Additive Manufacturing (AM) techniques. The application of these techniques to most ceramics has been difficult so far, because of the challenges related to the deposition of homogeneous powder layers when using fine powders.
In this context, the "layerwise slurry deposition" (LSD) has been developed as a layer deposition method enabling the use of powder bed AM technologies also for advanced ceramic materials. The layerwise slurry deposition consists of the layer-by-layer deposition of a ceramic slurry by means of a doctor blade, in which the slurry is deposited and dried to achieve a highly packed powder. Not only very fine, submicron powders can be processed with low organics, but also the dense powder bed provides excellent support to the parts built. The LSD technology can be combined with binder jetting to develop the so-called “LSD-print” process. LSD-print combines the high-speed printing of binder jetting with the possibility of producing a variety of high-quality ceramics with properties comparable to traditional processing.
The latest development of this technology shows that it is possible to print ceramic parts in a continuous process by depositing a layer onto a rotating platform, growing a powder bed following a spiral motion. The unique mechanical stability of the layers in LSD-print allows to grow a powder bed several centimeters thick without any lateral support. The continuous layer deposition allows to achieve a productivity more than 10X higher compared to the linear deposition, approaching a build volume of 1 liter/hour.