Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) of AISI 316L stainless steel has gained popularity due to its exceptional capacity to produce complex geometries and hierarchical microstructures, which can increase the yield strength while maintaining good ductility. Nevertheless, owing to high thermal gradients encountered during the process, the as printed 316L stainless steel often exhibit microstructural heterogeneities and residual stresses, which can limit its performance in demanding environments. Hence, employing heat treatments which balance the reduction of residual stresses while retaining improved static strength may be beneficial in various scenarios and applications. This study investigates the impact of post-processing heat treatments on the microstructure of 316L stainless steel manufactured via PBF-LB/M, along with its correlation with micro-hardness properties. To this end, 6 different heat treatments, i.e., 450 °C for 4h, 700 °C for 1h, 700 °C for 3h, 800 °C for 1h, 800 °C for 3h, and 900 °C for 1h, were applied to different specimens and Vickers hardness measurements (HV1) were performed in all states. At 800 °C, although the cellular structure appears to be retained, there is an observable increase in cellular size. However, while treatments exceeding 900 °C indicate no significant grain growth compared to other conditions, the cellular structure is entirely dissolved, which leads to a reduced Vickers hardness. The effect of the heat treatments on other microstructural features such as grain size and morphology, melt pool boundaries (MPB), crystallographic texture, chemical segregation, dispersoids and phase stability are also discussed in the present work
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.
Metallbasierte additive Fertigungsverfahren werden zunehmend industriell zur Anfertigung von komplex geformten Komponenten eingesetzt. In diesem Zusammenhang ist das Laser-Pulverbettschweißen von Metall (PBF-LB/M) ist ein weitläufig genutztes Verfahren. Im PBF-LB/M-Prozess werden lagenweise aufgetragene Metallpulverschichten selektiv mittels eines Lasers aufgeschmolzen. Die Entstehung von internen Fehlstellen (bspw. Porosität, Lunker oder Risse) während des Fertigungsvorgangs stellt ein ernstzunehmendes Risiko für die Bauteilsicherheit und somit für die weitere industrielle Etablierung des Verfahrens dar. Die Entstehung von Fehlstellen hängt eng mit lokalen Änderungen der thermischen Historie des Bauteils zusammen. Mit Hilfe von thermografischen Kameras zur Prozessüberwachung kann die thermische Historie bereits während der Fertigung erfasst werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Entstehung von Fehlstellen anhand der thermografischen Daten vorherzusagen und somit potenziell Kosten für eine nachgelagerte Qualitätssicherung einzusparen.
In diesem Beitrag soll die Modellierung der Fehlstellenvorhersage anhand thermografischer Prozessdaten diskutiert werden. Hierbei liegt ein Schwerpunkt auf der Fragestellung, mit welcher Genauigkeit unterschiedliche Formen von Fehlstellen, im speziellen Anbindungsfehler und Keyhole-Porosität, auf lokaler Bauteilebene vorhergesagt werden können. Weiterhin werden verschiedenen Modelltypen aus dem Bereich des Maschinellen Lernens auf ihre Eignung für die Fehlstellenvorhersage verglichen. Ein weiterer zentraler Aspekt in diesem Zusammenhang ist die Untersuchung der Eingangsdaten des Modells auf ihre Relevanz für das Vorhersageergebnis.
Als Datengrundlage für die durchgeführten Untersuchungen dienen die Fertigungsprozesse von zwei identischen Haynes-282-Bauteilen (Nickel-Basislegierung), welche mit Hilfe einer im kurzwelligen Infrarotbereich arbeitenden Thermografiekamera überwacht wurden. Das Bauteildesign umfasste lokale Bereiche, in denen mit Hilfe einer Parametervariation die Entstehung von Fehlstellen forciert wurde. Um die Position und Größe der entstandenen Defekte zu quantifizieren, wurden beide Bauteile nach erfolgter Fertigung mittels Computertomografie (CT) geprüft. Im Rahmen der Datenvorbereitung für die Modellierung erfolgte eine Reduzierung der erhobenen Thermogramme zu physikalisch-interpretierbaren Merkmalen (bspw. Schmelzbadfläche oder Zeit-über-Schwellwert). Weiterhin erfolgte eine Registrierung der thermografischen Daten mit den Fehlstellen-Referenzdaten der CT, um eine exakte örtliche Überlagerung von thermischer Information und lokalem Fehlstellenbild zu erzielen. Zur Ermöglichung einer lokalen Fehlstellenvorhersage wurden die thermografischen Daten schichtweise in kleinteiligen Volumina angeordnet, welche als Eingangsgröße für die genutzten ML-Algorithmen dienten.
Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass sich die Porosität auf Bauteilschichtebene mit einer hohen Genauigkeit vorhersagen lässt. Eine Vorhersage der Porosität auf lokaler Bauteilebene erweist sich noch als herausfordernd. Die erprobten ML-Algorithmen zeigen vergleichbare Ergebnisse, obwohl ihnen unterschiedliche Modellierungsannahmen zugrunde liegen und sie variierende Komplexität aufweisen. Mit Hilfe der erzielten Erkenntnisse eröffnet sich die Möglichkeit, Rückschlüsse auf die gewählte Prozessüberwachungshardware und Datenvorverarbeitung zu ziehen und somit langfristig die Leistungsfähigkeit von Modellen zur Fehlstellenvorhersage zu verbessern.
Development of representative test specimens by thermal history transfer in laser powder bed fusion
(2024)
The use of components manufactured by laser powder bed fusion (PBF LB/M) and subjected to fatigue loading is still hampered by the uncertainty about the homogeneity of the process results. Numerous influencing factors including the component’s geometry contribute to the risk of process instability and resulting inhomogeneity of properties. This drastically limits the comparability of different built parts and requires expensive full component testing. The thermal history as the spatiotemporal temperature distribution has been identified as a major cause for flaw formation. Therefore, it can be hypothesized that a similar thermal history between components and test specimens enhances their comparability. Following this assumption, a strategy is developed to transfer the intrinsic preheating temperature as a measure of comparability of thermal histories from a region of interest of a complex component to a simple test specimen. This transfer concept has been successfully proved by the use of FEM-based macroscale thermal simulations, validated by calibrated infrared thermography. An adoption of the specimen manufacturing process by the adjustment of the inter layer times was established to manufacture specimens which are representatives of a specific region of a large-scale component in terms of the thermal history similarity criterion. The concept is schematically illustrated in Figure 1 and was demonstrated using a pressure vessel geometry from the chemical industry.
Direct energy deposition additive manufacturing technologies that utilize an electric arc have great potential for generating large volume metal components. However, selecting process parameters that yield the desired near net shape design and requested mechanical component behavior is not a trivial task due to the complex relationship between all process parameters and material characteristics. This presentation exemplifies the application of a newly developed solid welding wire doped with TiB to enhance grain refinement in the deposited metal for additive manufacturing based on DED-Arc of high-strength precipitation hardening AlMgSi-aluminum alloys. It is worth noting that the solid wire is the result of our preliminary metallurgical studies on grain refinement in aluminum weld metal.
Consequently, research focuses on the correlation between process parameters and component quality to understand the underlying mechanisms. This is crucial for evaluating a robust process parameter space that yields component quality in line with corresponding standards which are mainly taken from welding technology.
Specifically, we examine component quality by analyzing pore size and distribution, as well as grain morphology. To enhance the mechanical properties of the deposited metal, a post-weld heat treatment was conducted, comprising of solution treatment, quenching, and artificial aging. The study also evaluates the effects of various heat treatment strategies on the final mechanical properties of the material.
To demonstrate the applicability of 3D metal printing of high-strength aluminium alloys, a more complex demonstrator was created. It has been shown that DED-Arc can produce high-volume aluminium parts with the same quality as the corresponding subtractive processing strategy.
Additionally, the entire additive manufacturing chain has been digitally integrated, enabling traceability of all relevant process steps, which is essential for reliable subsequent quality assessment.
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.
Das Ausbreitungsverhalten geführter Ultraschallwellen ermöglicht die großflächige Prüfung von Platten und schalenförmigen Bauteilen wie Rohren und Laminaten auf Fehlstellen von wenigen Prüfpunkten aus. Während die beschränkte Divergenz der geführten Wellen die Ultraschallprüfung begünstigt, erschwert das dispersive und multimodale Verhalten der Lamb-Wellen die Auswertung der Ultraschallsignale. Die dispersive und multimodale Wellenausbreitung verkompliziert die Bestimmung der Fehlerposition bei der Auswertung der Geschwindigkeiten einzelner Wellenpakete. Zudem ist es herausfordernd, einen einfachen Zusammenhang zwischen den Reflexionen der Fehlstelle und deren Größe und Form herzustellen. Eine Möglichkeit zur genauen Bestimmung der Fehlerposition und -geometrie bietet der direkte Vergleich der Messsignale mit den Signalen aus einem Simulationsmodell. Die Nachbildung des Schadens im Simulationsmodell stellt ein inverses Problem dar, das iterativ gelöst werden kann, indem ein Vorwärtsmodell immer weiter optimiert wird. Klassische Ansätze wie die Finite Elemente Methode (FEM) sind für die Simulation von Ultraschallwellen aufgrund der kleinen Wellenlängen im Vergleich zur Bauteilgröße meist ineffizient. Aus diesem Grund basiert das vorgestellte Vorwärtsmodell auf der semi-analytischen Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM), die große Teile der Wellenausbreitung analytisch berechnet. In diesem Beitrag wird die Validierung des zweidimensionalen Modells an Platten mit einer rechteckigen Nut als Ersatzfehler präsentiert und es werden erste Schritte zur Validierung von 3D-Modellen vorgestellt.