Additive Fertigung
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- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (3)
- 9.0 Abteilungsleitung und andere (3)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (2)
- 7.7 Modellierung und Simulation (2)
- 4 Material und Umwelt (1)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (1)
- 5.5 Materialmodellierung (1)
- 7.4 Baustofftechnologie (1)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (1)
The Binder Jetting BJ process is one of the most versatile additive manufacturing technologies in use. In this process a binder is locally jetted into a powder bed for the consolidation of a 3D structure, layer by layer. Basically, all materials which can be provided as a flowable powder and, thus, spreadable to a thin layer, can be processed. Metals, ceramics and polymers are processable, but also materials from nature, such as sand, wood sawdust and insect frass. Moreover, the BJ technology is adapted to large building volumes of some cubic meters easily. Besides these striking advantages, the manufacture of ceramic parts by BJ is still challenging, as the packing density of the powder bed is generally too low and the particle size of a flowable powder too large for a successful densification of printed parts in a subsequent sintering step to an advanced ceramic product. After an introduction of binder jetting in general and highlighting some examples, strategies for obtaining dense ceramic parts by BJ will be introduced.
Regarding feedstocks for the additive manufacturing (AM) of ceramics, two features are most critical in classical powder based AM processes: a high particle packing density (typically >50% TD) must be achieved with very fine particles (typically submicron) in order to ensure sufficient sintering activity. Three innovative approaches will be introduced to overcome this problem:
1. Layer wise slurry deposition: The use of water based ceramic slurries as feedstock for the additive manufacture of ceramics has many advantages which are not fully exploit yet. In the layerwise slurry deposition (LSD) process a slurry with no or low organic content is repetitively spread as thin layers on each other by means of a doctor blade. During the deposition, the ceramic particles settle on the previously deposited and dried material to form thin layers with a high packing density (55-60%). The LSD therefore shares aspects both of tape casting and slip casting. The LSD differentiates from the classical powder-based AM layer deposition, which typically achieves with a flowable coarse grained powder a low packing density (35-50%) only, consequently hindering the ability of sintering ceramic parts to full density. The LSD is coupled with the principles of selective laser sintering (SLS) or binder jetting, to generate novel processes which take advantage of the possibility of achieving a highly dense powder-bed.
2. Laser induced slip casting: Contrary to the LSD process, which requires drying of each individual layer, the direct interaction of ceramic slurries with intense laser radiation, for the laser induced slip casting (LIS), is a promising approach for the additive manufacture of voluminous parts.
3. Gas flow assisted powder deposition: By the application of a vacuum pump a gas flow is realized throughout the powder bed. This gas flow stabilizes the powder bed and results into an enhanced flowability and packing density of the powder during layer deposition.
The presentation will provide a detailed discussion of potentialities and issues connected to the mentioned technologies and will describe the most recent developments in their application to technical ceramics.
Manufacturing austenitic stainless steels (ASSs) using additive manufacturing is of great interest for cryogenic applications. Here, the mechanical and microstructural responses of a 316L ASS built by laser powder bed fusion were revealed by performing in situ neutron diffraction tensile tests at the low-temperature range (from 373 to 10 K). The stacking fault energy almost linearly decreased from 29.2 ± 3.1 mJm⁻² at 373 K to 7.5 ± 1.7 mJm⁻² at 10 K, with a slope of 0.06 mJm⁻²K⁻¹, leading to the transition of the dominant deformation mechanism from strain-induced twinning to martensite formation. As a result, excellent combinations of strength and ductility were achieved at the low-temperature range.
Die Beschichtung hochfester Stahlfeinbleche beeinflusst das Auftreten von flüssigmetallinduzierter Rissbildung (LME). Daher wurden in dieser Arbeit industrieübliche Beschichtungen bei gleichem Grundwerkstoff hinsichtlich ihres Aufbaus und chemischer Zusammensetzung charakterisiert und bezüglich ihrer LME Anfälligkeit untersucht. Aus dieser vergleichenden Untersuchung heraus wurden Potentiale für die Widerstandsfähigkeit gegen LME identifiziert. Diese Potentiale werden experimentell durch den Einsatz einer von der Forschungsstelle entwickelten Methode überprüft. Gegenstand der Untersuchungen waren neben unbeschichteten Proben industrieübliche Zinküberzüge wie Elektrolytisch verzinkt, Feuerverzinkt, Galvannealed und Zink-Magnesium Beschichtungen.
Die LME Anfälligkeit dieser unterschiedlichen Überzüge wird mit einem Schweißen unter Zugbelastung Versuchsaufbau untersucht. Dabei ergibt sich die resultierende Anfälligkeit aus den auftretenden Risslängen und der Auftrittswahrscheinlichkeit von LME bei den einzelnen Versuchen. Es konnte eine LME Anfälligkeits-Rangfolge für die Zinküberzüge festgestellt werden. Zink-Magnesium Beschichtungen galten als besonders LME Anfällig, gefolgt von Feuerverzinkt und Galvannealed. Die größte LME Resistenz wurde bei elektrolytisch verzinkten Proben festgestellt.
Aus den Ergebnissen werden Handlungsempfehlungen zur Erhöhung der Verarbeitungssicherheit bzw. Schweißpunktqualität abgeleitet.
Hochfeste Nickelbasislegierungen wie Inconel 939 spielen eine wesentliche Rolle im modernen Turbinenbau. Additive Fertigungstechnologien eröffnen hierbei neue Möglichkeiten für die Verarbeitung, jedoch fehlen verlässliche Fügeprozesse für die Absicherung der additiven Prozesskette im Bereich Neuteilfertigung und Instandsetzung. Insbesondere Heißrisse stellen eine große Herausforderung an die Fügetechnik. Die vorliegende Untersuchung befasst sich daher mit dem Verhalten von additiv gefertigten Blechen aus Inconel 939 beim Elektronenstrahlschweißen. Es werden grundlegende Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Härte und Rissneigung betrachtet und Ansätze für eine Optimierung auf Basis statistischer Versuchsplanung aufgezeigt. Hierbei erfolgt eine Einteilung der Risse nach bestimmten Nahtbereichen. Risse am Nahtkopf können durch die Faktoren Vorschub und Streckenenergie sowie die Härte des Schweißgutes beeinflusst werden. Risse im Bereich der parallelen Nahtflanken stehen hingegen im Zusammenhang mit der Härte der Wärmeinflusszone. Ein abschließender Vergleich der angepassten Parameter mit der Ausgangssituation zeigt, dass durch Anwendung der statistischen Optimierung eine deutliche Reduzierung der Rissneigung erreicht werden kann.
Die additive Fertigung von metallischen Bauteilen (Additive Manufacturing - AM; auch 3D-Druck genannt) bietet eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden. Durch den schichtweisen Auftrag und das selektive Aufschmelzen von Metallpulver im Laser Powder Bed Fusion Prozess (L-PBF) sind u.a. optimierte und flexibel anpassbare Designs und die Nutzung von neuartigen Materialien möglich. Aufgrund der Komplexität des AM-Prozesses und der Menge an Einflussfaktoren ist eine Qualitätssicherung der gefertigten Bauteile unabdingbar. Verschiedene in-situ Monitoringansätze werden bereits angewendet, jedoch findet eine dedizierte Prüfung erst im Nachgang der Fertigung ex-situ statt. Der Grund dafür ist, dass die Entstehung von geometrischen Abweichungen und Defekten auch zeitversetzt zum eigentlichen Materialauftrag und damit auch zum Monitoring stattfinden kann. Die Notwendigkeit geeigneter in-situ Prüfmethoden für L-PBF, um die Erforderlichkeit einer Nacharbeitung frühzeitig festzustellen und Ausschuss zu vermeiden ist angesichts kostenintensiver Ausgangsstoffe und einer oftmals mehrstündigen bis mehrtägigen Prozessdauer besonders hoch.
Daraus motiviert wird im Rahmen des Projektes ATLAMP die Möglichkeit der aktiven Laserthermografie mit Hilfe des defokussierten Fertigungslasers untersucht. Damit ist, bei vergleichsweise geringer Laserleistung, eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Flying Spot Thermografie möglich. Diese findet jeweils anschließend an die Fertigung einer Schicht statt, womit der reale Status des Bauteils im Verlauf des AM-Prozesses geprüft wird.
Als Grundlage dafür werden im Rahmen dieser Arbeit mit AM gefertigte, defektbehaftete Probekörper zunächst losgelöst vom Fertigungsprozess untersucht. Damit werden die Grundlagen für den neuartigen Ansatz der aktiven in-situ Laserthermografie im L-PBF-Prozess mittels des Fertigungslasers geschaffen. Auf diese Weise lassen sich auch zeitversetzt auftretende Defekte zerstörungsfrei im Prozessverlauf feststellen und eine aussagekräftige Qualitätssicherung des Ist-Zustands des Bauteils erreichen.
While laser powder-bed fusion has overcome some of the design constraints of conventional manufacturing methods, it requires careful selection of process parameters and scan strategies to obtain favorable properties. Here we show that even simple scan strategies, complex ones being inevitable when printing intricate designs, can inadvertently produce local alterations of the microstructure and preferential grain orientation over small areas – which easily remain unnoticed across the macroscale. We describe how a combined usage of neutron imaging and electron backscatter diffraction can reveal these localized variations and explain their origin within cm-sized parts. We explain the observed contrast variations by linking the neutron images to simulated data, pole figures and EBSD, providing an invaluable reference for future studies and showing that presumably minor changes of the scan strategy can have detrimental effects on the mechanical properties. In-situ tensile tests reveal that fracture occurs in a region that was re-melted during the building process.
Laser powder bed fusion (PBF-LB/M) of metallic alloys is a layer wise additive manufacturing process which 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 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 strain-free reference for the material of interest. In this presentation advancements in the field of diffraction-based residual stress analysis of L-PBF Inconel 718 will be presented. The choice of an appropriate set of diffraction-elastic constants depending on the underlying microstructure will be described.
In diesem Artikel werden die verschiedenen additiven Fertigungsverfahren und ihre Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt. Der Fokus liegt hierbei auf Silikatkeramik. Für jedes 3D Druckverfahren werden die Möglichkeiten mit Silikatkeramik, Hochleistungskeramik und Dentalkeramik aufgezeigt. Auf den Nutzen der verschiedenen 3D Druckverfahren für industrielle Anwendungen, den privaten Bereich, sowie die Verwendung für Kunst und Design wird eingegangen. Das Potenzial der Additiven Fertigung wird auch für den Bereich der Keramik in der dentalen Anwendung bewertet.
Das zyklische plastische Verformungsverhalten von additiv gefertigtem Edelstahl AISI 316L wurde in dehnungsgeregelten Kurzzeitfestigkeitsversuchen (LCF-Versuchen) untersucht. Dabei wurden zwei Wärmebehandlungszustände betrachtet: Beim ersten Zustand war die fertigungsbedingte zelluläre Struktur vorhanden, während sie durch die zweite Wärmebehandlung aufgelöst wurde. Untersuchungen im Transmissions-Elektronen-Mikroskop (TEM) zeigten, dass die zyklische Verformung die Zellstruktur lokal zerstörte und Gleitbänder entstanden, was die Entfestigung in diesem Fall erklärt. Für Material ohne Zellstrukturen resultierten nach zyklischer Verformung ähnliche Versetzungsstrukturen wie in konventionell gefertigtem (warmgewalzten) Material.