Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
Currently, mandatory requirements and recommendations for the detection of irregularities in laser beam welded joints are based on classic micrographs as set out in the standard ISO 13919-1:2019. Compared to classic micrographs, computed tomography enables a non-destructive, three-dimensional and material-independent mode of operation, which delivers much more profound results. Even in building material testing, methods with limited informative value can be checked and supplemented by CT examinations.
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.
In this presentation, the results of the determination of the diffraction and single-crystal elastic constants of laser powder bed fused Inconel 718 are presented. The analysis is based on high-energy synchrotron diffraction experiments performed at the Deutsches Elektronen-Synchrotron. It is shown that the characteristic microstructure of laser powder bed fused Inconel 718 impacts the elastic anisotropy and therefore the diffraction and single-crystal elastic constants. Finally, the consequences on the diffraction-based residual stress determination of laser powder bed fused Inconel 718 are discussed.
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.
The Laser-Induced Slip Casting is an additive manufacturing technology specifically developed for ceramic materials using water-based ceramic slurries. The process takes place layer-by-layer in a similar fashion as top-down vat photopolymerization, selectively consolidating each layer by means of a laser energy source positioned on the top. Contrary to vat photopolymerization, in which the consolidation is achieved by selectively cross-linking a ceramic-filled resin, LIS uses water-based slurries with a low amount of organic additives (typically < 5 wt%) as feedstocks.
In LIS, a green body is formed by local evaporation of water which causes the suspension to collapse forming a cast, following a mechanism similar to slip casting. Only a small content of organic additives is needed to effectively disperse the ceramic particles and to increase the green strength.
The technology is very versatile and can be applied to all ceramic systems that can be dispersed in water. One of the main advantages is that even dark materials such as silicon carbide can be processed without issues related to light scattering and absorption.
The presentation will discuss strengths and limitations of LIS compared to other AM technologies and will highlight the latest results for alumina and for silicon carbide ceramics.
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.
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.
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.