Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die Erzeugung rissschließfreier Anrisse in gekerbten bruchmechanischen Proben für anschließende Ermüdungsversuche kann durch eine zyklische Druckbelastung an der Kerbe erfolgen: Bei der Erstbelastung wird eine plastische Verformung an der Kerbspitze erzeugt, welche Zugeigenspannungen und damit eine risstreibende Kraft bei der folgenden zyklischen Druckbelastung hervorruft. Durch das Risswachstum kommt es zu einer Entspannung, bis der Riss schließlich arretiert, weil die effektive risstreibende Kraft auf den Schwellenwert abgesunken ist. Um Kurzrisswachstum in additiv, mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) gefertigtem AISI 316L Stahl und seinem konventionell erzeugten, warmgewalzten Pendant zu untersuchen, wurde dieses Verfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzt. Im Falle des additiv gefertigten Materials kam es zu unerwartet langem Ermüdungsrisswachstum, bevor der Riss arretierte. Zur Ermittlung der Ursache erfolgte eine Messung der Eigenspannungsverteilungen mittels Neutronendiffraktion in der Kerbebene der additiv gefertigten Proben. Anschließend wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation des Ermüdungsrisswachstums in konventionellem und additiv gefertigtem Material implementiert. Im Rahmen dieses Vortrages wird insbesondere auf das Vorgehen bei der Simulation und auf die getroffenen Annahmen und Vereinfachungen eingegangen. Die Resultate werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und das für die Simulation von Risswachstum genutzte Knoten-Freigabe-Verfahren (Node-Release), das Einbringen von Eigenspannungen als initiale Spannungen in der Simulation, und die Rechengrößen zur Quantifizierung der risstreibenden Kraft kritisch diskutiert.
Defects are still common in metal components built with Additive Manufacturing (AM). Process monitoring methods for laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are used in industry, but relationships between monitoring data and defect formation are not fully understood yet. Additionally, defects and deformations may develop with a time delay to the laser energy input. Thus, currently, the component quality is only determinable after the finished process.
Here, active laser thermography, a non-destructive testing method, is adapted to PBF-LB/M, using the defocused process laser as heat source. The testing can be performed layer by layer throughout the manufacturing process. The results of the defect detection using infrared cameras are presented for a custom research PBF-LB/M machine. Our work enables a shift from post-process testing of components towards in-situ testing during the AM process. The actual component quality is evaluated in the process chamber and defects can be detected between layers.
The formation of defects such as keyhole pores is a major challenge for the production of metal parts by Laser Powder Bed Fusion (LPBF). The LPBF process is characterized by a large number of influencing factors which can be hard to quantify. Machine Learning (ML) is a prominent tool to predict the outcome of complex processes on the basis of different sensor data. In this study, a ML model for defect prediction is created using thermographic image features as input data. As a reference, the porosity information calculated from an x-ray Micro Computed Tomography (µCT) scan of the produced specimen is used. Physical knowledge about the keyhole pore formation is incorporated into the model to increase the prediction accuracy. From the prediction result, the quality of the input data is evaluated and future demands on in-situ monitoring of LPBF processes are formulated.
In-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung von Metallen (PBF-LB /M) mittels TT und ET
(2022)
Durch die additive Fertigung ergeben sich durch die nun mögliche wirtschaftliche Fertigung hochgradig individueller und komplexer metallischer Bauteile in kleinen Stückzahlen bis hinunter zum Einzelstück für viele Industriebereiche ganz neue Möglichkeiten.
Gleichzeitig entstehen jedoch neue Herausforderungen im Bereich der Qualitätssicherung, da sich auf statistischen Methoden beruhende Ansätze nicht anwenden lassen, ohne wiederum die Vorteile der Fertigung massiv einzuschränken.
Eine mögliche Lösung für dieses Problem liegt in der Anwendung verschiedener In-situ-Überwachungstechniken während des Bauprozesses. Jedoch sind nur wenige dieser Techniken kommerziell verfügbar und noch nicht so weit erforscht, dass die Einhaltung strenger Qualitäts- und Sicherheitsstandards gewährleistet werden kann. In diesem Beitrag stellen wir die Ergebnisse einer Studie über mittels L-PBF gefertigte Probekörper aus der Nickelbasis-Superlegierung Haynes 282 vor, bei denen die Bildung von Defekten durch lokale Variationen der Prozessparameter wie der Laserleistung provoziert wurde. Die Proben wurden in-situ mittels Thermographie, optischer Tomographie, Schmelzbadüberwachung und Wirbelstromprüfung sowie ex-situ mittels Computertomographie (CT) überwacht, mit dem Ziel, die Machbarkeit und die Aussichten der einzelnen Methoden für die zuverlässige Erkennung der Bildung relevanter Defekte zu bewerten.
In Hinblick auf den austenitischen Stahl AISI 316L erzeugt das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen, als ein additives Fertigungsverfahren, kristallographisch texturierte und Multiskalige Mikrostruktur. Einerseits können diese Mikrostrukturen zu einer Verbesserung der statischen mechanischen Eigenschaften führen (z. B. zu einer höheren Streckgrenze). Andererseits stehen diesen Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften hohe Eigenspannungen gegenüber, die sich nachteilig auf das Ermüdungsverhalten auswirken können. Zur Reduzierung der Eigenspannungen und der daraus resultierenden negativen Auswirkungen auf die Ermüdungseigenschaften, werden Bauteile nach der Herstellung typischerweise wärmebehandelt. In dieser Studie wurde eine niedrige Wärmebehandlungstemperatur von 450°C höher temperierten Behandlungen bei 800 °C und 900 °C gegenübergestellt. Diese Wärmebehandlungstemperaturen bilden die oberen und die untere Grenze ein Spannungsarmglühendes Materials, ohne die prozessinduzierte Mikrostruktur signifikant zu verändern. Zusätzlich bieten diese Temperaturen den Vorteil, dass sie eine übermäßige intergranulare Ausscheidung von Karbiden und TCP-Phasen vermeiden, die zu einer Sensibilisierung des Werkstoffes gegen korrosive Umgebungen führen würden. Die Auswirkungen der Wärmebehandlung auf das Gefüge wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (BSE und EBSD) untersucht. Die Relaxation der Eigenspannungen wurde vor und nach den jeweiligen Wärmebehandlungen bei 800°C und 900°C mittels Neutronenbeugung charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Proben nach der Wärmebehandlung bei 900 °C nahezu spannungsfrei sind, was mit der Auflösung der zellularen Substruktur korreliert.
Entwicklung der Mikrostruktur der mechanischen Eigenschaften und der Eigenspannungen in L-PBF 316L
(2022)
Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe mittels Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ermöglicht einzigartige hierarchische Mikrostrukturen, die zu Verbesserungen bestimmter mechanischer Eigenschaften gegenüber konventionell hergestellten Varianten derselben Legierung führen können. Allerdings ist das L-PBF-Verfahren häufig durch das Vorhandensein hoher Eigenspannungen gekennzeichnet, die es zu verstehen und zu mindern gilt. Daher ist das Verständnis der Mikrostrukturen, der Eigenspannungen und der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften entscheidend für eine breite Akzeptanz bei sicherheitskritischen Anwendungen. Die BAM hat ein multidisziplinäres Forschungsprogramm gestartet, um diese Aspekte bei LPBF 316L zu untersuchen. Der vorliegende Beitrag stellt einige der wichtigsten Ergebnisse vor: der Einfluss von Prozessparametern auf die Mikrostruktur, der Einfluss von Mikrostruktur und Textur auf die Festigkeit, Kriechverhalten und Schädigung und die Stabilität von Eigenspannungen und Mikrostruktur unter Wärmebehandlungsbedingungen.
Additiv gefertigte (AM) dreifach periodische metallische minimale Oberflächenstrukturen (TPMSS, aus dem Englischen Triply Periodic Minimum Surface Structures) erfüllen mehrere Anforderungen sowohl im biomedizinischen als auch im technischen Bereich: Abstimmbare mechanische Eigenschaften, geringe Empfindlichkeit gegenüber Herstellungsfehlern, mechanische Stabilität und hohe Energieabsorption. Allerdings stellen sie auch einige Herausforderungen in Bezug auf die Qualitätskontrolle dar, die ihre erfolgreiche Anwendung verhindern können. Tatsächlich ist die Optimierung des AM-Prozesses ohne die Berücksichtigung struktureller Merkmale wie Fertigungsgenauigkeit, interne Defekte sowie Oberflächentopographie und -rauheit unmöglich. In dieser Studie wurde die quantitative zerstörungsfreie Analyse von Ti-6Al-4V-Legierung TPMSS mit Hilfe der Röntgen-Computertomographie (XCT) durchgeführt. Es werden mehrere neue Bildanalyse-Workflows vorgestellt, um die Auswirkungen der Aufbaurichtung auf die Wanddickenverteilung, die Wanddegradation und die Verringerung der Oberflächenrauheit aufgrund des chemischen Ätzens von TPMSS zu bewerten. Es wird gezeigt, dass die Herstellungsgenauigkeit für die Strukturelemente, die parallel und orthogonal zu den hergestellten Schichten gedruckt werden, unterschiedlich ist. Verschiedene Strategien für das chemische Ätzen zeigten unterschiedliche Pulverabtragsfähigkeiten und damit ein Gradient der Wanddicke. Dies wirkte sich auf die mechanische Leistung unter Druck durch die Verringerung der Streckspannung aus. Eine positive Auswirkung des chemischen Ätzens ist die Verringerung der Oberflächenrauhigkeit, die möglicherweise die Ermüdungseigenschaften der Bauteile verbessern kann. Schließlich wurde XCT eingesetzt, um die Menge des zurückgehaltenen Pulvers mit der Porengröße des TPMSS zu korrelieren, wodurch der Herstellungsprozess weiter verbessert werden kann.
In den letzten Jahren haben additive Fertigungstechnologien an Bedeutung gewonnen. Für komplexe Funktionsbauteile oder die Produktion von Werkstücken in kleinen Stückzahlen kann das Laser-Pulverbettschmelzen eingesetzt werden. Hohe Sicherheitsanforderungen, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, erfordern eine umfassende Qualitätskontrolle. Daher werden nach der Fertigung zerstörungsfreie Offline-Prüfverfahren wie die Computertomographie eingesetzt. In jüngster Zeit wurden zur Verbesserung der Rentabilität und Praktikabilität zerstörungsfreie Online-Prüfverfahren wie die optische Tomographie entwickelt. In diesem Beitrag wird die Anwendbarkeit der Wirbelstromprüfung mit GMR Sensoren für die online Prüfung von PBF-LB/M Teilen demonstriert. Die Ergebnisse einer online Wirbelstromprüfung mit GMR Sensoren und einer Ein-Draht-Anregung werden gezeigt. Während des Produktionsprozesses wird für jede Lage eine Wirbelstromprüfung durchgeführt. Trotz hochauflösender Arrays mit 128 Elementen wird durch eine angepasste Hardware die Prüfdauer geringgehalten. So kann die Messung während des Beschichtungsvorgangs durchgeführt werden, ohne den Fertigungsprozess signifikant zu verlangsamen. Eine online Wirbelstromprüfung eines stufenförmigen Testkörpers aus Haynes282 über 184 Lagen zeigt, dass die Kanten nicht nur in der aktuellen Lage detektiert werden können, sondern auch in einer Tiefe von 400 µm, wenn eine Anregungsfrequenz von 1,2 MHz gewählt wird.
Im Rahmen des Themenfeldprojektes „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) evaluiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM) gegenwärtig die Anwendbarkeit verschiedenster ZfP-Verfahren zur in-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung (AM) von Metallen in Hinblick auf die Qualitätssicherung.
Einige der wichtigsten Messgrößen sind hierbei die Temperatur des Schmelzbades und die Abkühlrate, welche starken Einfluss auf das Gefüge und die Eigenspannung haben. Aufgrund der Zugänglichkeit zum Werkstück während des Bauprozesses bieten sich optische Verfahren zu Temperaturbestimmung an. Hierbei stellen jedoch u. a. die hohe Bandbreite der zu messenden Temperaturen, die Bestimmung der Emissivität und ihre Änderung bei Phasenübergängen der verwendeten Legierung große experimentelle Herausforderungen dar. Eine weitere Herausforderung stellt für die IR-Spektroskopie die Absorption durch das Schutzgas und weitere optische Elemente dar. Um diese auch in einem industriellen Umfeld kompensieren zu können, wurde eine Methode entwickelt, die das gemessene Spektrum bei der Verfestigung des Werkstoffes als Referenz nutzt. In diesem Beitrag wird die Anwendung dieser Methode für die IR-Spektrometrie als auch Thermografische Messungen beim Laser-Pulver-Auftragschweißen von 316L gezeigt, wobei beide Methoden weiterhin in Hinblick auf ihre individuellen Vor- und
Nachteile miteinander verglichen werden.
Einer der aussichtsreichsten Ansätze, die Qualität und Sicherheit der gefertigten Teile in der metallbasierten additiven Fertigung (AM) zu erhöhen und die Notwendigkeit aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen (ZfP) nach der Fertigung zu verringern, liegt in dem Einsatz von in-situ Prozessüberwachungstechniken. Viele wichtige Prozessgrößen bei der additiven Fertigung sind thermischer Natur, wie z.B. die Temperatur des Schmelzbades. Aufgrund der Zugänglichkeit zum Werkstück während des Bauprozesses bieten sich optische Verfahren zur Temperaturbestimmung an. Für die Thermografie und Optische Emissionsspektrometrie im IR-Bereich, welche für die in-situ Anwendung prinzipiell als geeignet angesehen werden können, gibt es allerdings noch wenig konkrete praktische Umsetzungen, da die Möglichkeiten und individuellen Grenzen dieser Methoden, angewendet auf AM, noch nicht ausreichend erforscht sind. Aus diesem Grund verfolgt die BAM mit dem Projekt „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) im Themenfeld Material das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile weiterzuentwickeln.
Im Beitrag wird der Fokus auf eine Versuchsserie gelegt, bei der Aufbau von Probekörpern aus dem austenitischen Edelstahl 316L mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) durch od. mit Hilfe von IR-Spektrometrie und Thermografie in-situ überwacht wurde. Hierbei stellen u.a. die hohe Bandbreite der zu messenden Temperaturen, die Bestimmung der Emissivität und ihre Änderung bei Phasenübergängen des Metalls große experimentelle Herausforderungen dar, wobei jede Methode individuelle Vor- und Nachteile aufweist, welche verglichen werden.