Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Im Europäischen EMPIR-Projekt „NanoXSpot“ (Measurement of the focal spot size of Xray tubes with spot sizes down to 100 nm) werden neue Messmethoden für Brennflecke von Röntgenröhren entwickelt. Teil des Projektes ist die Entwicklung eines zur Lochkameramethode äquivalenten Messverfahrens für kleine Brennflecke. ASTM E 1165-20, Annex A, beschreibt die Bestimmung von Brennfleckgrößen aus Kantenprofilen von Lochaufnahmen für Röntgenröhren mit Brennflecken > 50 μm. Es wurde bereits vorgeschlagen über die Analyse der richtungsabhängigen Kantenunschärfe einer Lochblende und anschließender CT-Rekonstruktion die Intensitätsverteilung des Brennflecks äquivalent zur Lochkameraaufnahme zu berechnen. Die Lochkameramethode, wie in EN 12543-2 und ASTM E 1165-20 beschrieben, ist im unteren Größenbereich für Mikrofokusröhren nicht geeignet, da Pinholes < 10 μm schwer zu fertigen sind und lange Belichtungszeiten erwartet werden. Mit Hilfe exakt gefertigter Lochblenden sowie strukturierter Targets mit
konvergierenden Strukturen wird der Bereich mit der Single-Shot-CT-Methode auf die Messung von Mikrofokusröhren, alternativ zur Vermessung von Kanten oder Strichgruppenkörpern, erweitert. Die rekonstruierten Brennfleckformen werden mit Kantenund Lochkameraaufnahmen quantitativ verglichen, um die Messgenauigkeit zu bewerten.
Außerdem werden CNR und Messzeit bestimmt, um die Wirtschaftlichkeit der Verfahren zu bewerten.
Analyse des gefügeabhängigen Löslichkeitsverhaltens potenziell AKR-empfindlicher Gesteinskörnungen
(2021)
Das gefügeabhängige Löslichkeitsverhalten wurde an folgenden vier Gesteinskörnungen unterschiedlicher Alkaliempfindlichkeitsklassen
untersucht:
• GK1 (EIII-S): quarzreicher Kies
• GK2 (EIII-S): Grauwacke (Splitt)
• GK3 (EI-S): Quarz-Feldspat-Porphyr (Splitt)
• GK4 (EI-S): sandsteinreicher Kies
DiePorenstrukturanalyse erfolgte sowohl an Einzelkörnern mittels vergleichender 3D-CT und BET- Untersuchungen als auch an Korngemengen der einzelnen Kornfraktionen (außer Fraktion 16/22 mm) über die Wasseraufnahme und mit BET. Für die Visualisierung und Quantifizierung der von außen zugänglichen Oberflächenanteile der Einzelkörner wurde ein Softwaretool entwickelt, erprobt und erfolgreich angewandt. Es gelang so u.a. den Nachweis zu erbringen, dass die gebrochenen Einzelkörner der Grauwacke und des Rhyoliths einen deutlich geringeren von außen zugänglichen Oberflächenanteil als die gleichartigen Gesteinskörner aus dem Kies besitzen. Aufgrund der limitierten Ortsauflösung der 3D-CT von 11 bis 16,5 μm wurde mit BET eine um drei Zehnerpotenzen höhere spezifische Oberfläche ermittelt.
Zu den Porositätsuntersuchungen an den Korngemengen sei angemerkt, dass zum Teil gegenläufige Trends zwischen offener Porosität und spezifischer Oberfläche festgestellt wurden. Dieses ist beim Bezug des bei den Löseversuchen in 0,1 M KOH mit definierter NaCl-Zugabe aus der Gesteinskörnung gelösten SiO2 und Al2O3 von zentraler Bedeutung. Bei den Löseversuchen an den fraktionsspezifischen Korngemengen selbst zeigte sich, dass die stufenweise Erhöhung des NaCl-Gehalts von 0 auf 10 M.-% im Eluat eine erhöhte SiO2-Löslichkeit und eine verminderte Auslaugung von Al2O3 zur Folge hat. Auffallend war hierbei, dass die Al2O3-Löslichkeit bei GK4 ohne und mit geringer NaCl-Zugabe die mit Abstand höchsten Werte annimmt. Bei den zusätzlich durchgeführten Löseversuchen an den tomografierten Einzelkörnern in 1 M KOH-Lösung mit Zugabe von 1 M.-% NaCl zeigte sich, dass nur vereinzelt bei den untersuchten Gesteinsarten eine Korrelation zwischen dem SiO2- bzw. Al2O3-Gehalt im Eluat und der absoluten BET-Oberfläche nachweisbar ist. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass neben der Oberfläche weitere Parameter (z.B. die mineralogische Zusammensetzung der Einzelkörner) das Löseverhalten maßgebend beeinflussen. Bei den parallel zu den Löseversuchen durchgeführten Betonversuchen nach dem ARS 04/2013 zeigte sich, dass die Alkaliempfindlichkeit der GK4 bei beiden Betonversuchen mit Alkalizufuhr unterschiedlich zu bewerten ist. So ist unabhängig von der vorgegebenen pessimalen Betonrezeptur des Fahrbahndeckenbetons ausschließlich bei der Klimawechsellagerung die GK4 als alkaliempfindlich einzustufen. Allerdings konnte der Befund der stark ausgeprägten AKR bei der GK4 mit der Dünnschliffmikroskopie nicht bestätigt werden. Analoges gilt für die Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von GK2 mit den Betonversuchen nach der Alkalirichtlichtlinie des DAfStb. So ist auch hier die GK2 nicht im 60 °C-Betonversuch sondern ausschließlich im 40 °C-Betonversuch als alkaliempfindlich einzustufen.
Dienach den verschiedenartigen Betonversuchen durchgeführten LIBS-Analysen am Vertikalschnitt der Prüfkörper zeigen, dass im Kernbereich nach dem 60 °C-Betonversuch mit 10 %iger NaCl-Lösung und nach der Klimawechsellagerung mit NaCl-Beaufschlagung annähernd gleich hohe Natrium- und Chloridgehalte vorgefunden werden. Wider Erwarten treten an den beaufschlagten Prüfflächen Abreicherungen von Natrium und Anreicherungen von Chlorid auf. Im 40°C- und 60 °C-Betonversuch wurde das Natrium bis in eine maximale Tiefe von ca. 30 mm bzw. 20 mm ausgelaugt. Die aufbauenden korrelativen Betrachtungen zwischen den Ergebnissen des 60°C Betonversuchs mit Alkalizufuhr und der Löseversuche an den fraktionsspezifischen Korngemengen in 1 M KOH-Lösung mit definierter NaCl-Zugabe sind durchaus vielversprechend. So zeigt sich beispielsweise beim Waschbeton, dass der fraktionsspezifisch gewichtete SiO2-Überschuss im Eluat nach 56 Tagen mit Zugabe von 0,5 M.-% NaCl ohne Bezug auf die BET-Oberfläche zur gleichen Einstufung der vier betrachteten Gesteinskörnungen wie bei den Dehnungen im 60 °C-Betonversuch mit 3 %-iger NaCl-Lösung führt. Außerdem korrelieren die im 60 °C-Betonversuch mit 10 %-iger NaCl-Lösung ermittelten Dehnungen mit dem gewichteten SiO2-Überschuss im Eluat bei Zugabe von 2 M.-% NaCl ohne Bezug auf die BET-Oberfläche.
Ausschließlich bei den Betonversuchen nach der Alkali-Richtlinie erwies sich der Bezug des im Eluat ermittelten SiO2-Überschusses auf die BET-Oberfläche als zielführend. Aufgrund des Potenzials der Löseversuche mit NaCl-Zugabe für die Bewertung der Alkaliempfindlichkeit der Gesteinskörnung im Fahrbahndeckenbeton wird empfohlen, die vergleichenden Untersuchungen zwischen den Löseversuchen an Korngemischen der einzelnen Fraktionen und den Betonversuchen nach dem ARS 04/2013 mit einer möglichst hohen Anzahl an Gesteinskörnungen und einem präzisierten Untersuchungsumfang fortzuführen.
This paper describes a new ultrasonic measuring device called “W-Box”. It was developed based on the requirements of the DFG Forschergruppe (research unit) CoDA for a portable device for monitoring of concrete specimens, models and actual structures using embedded ultrasonic transducers as well as temperature and humidity sensors. The W-Box can send ultrasonic pulses with a variable frequency of 50–100 kHz to one selectable transducer and records signals from up to 75 multiplexed channels with a sample rate of 1 MHz and a resolution of 14 bits. In addition, it measures temperature and humidity with high accuracy, adjustable amplification, restarts automatically after a power failure and can be fully controlled remotely. The measured data are automatically stored locally on-site data quality checks and transferred to remote servers. The comparison of the W-Box with a laboratory setup using commercial devices proves that it is equally reliable and precise, at much lower cost. The W-Box also shows that their measurement capacities, with the used embedded ultrasonic transducers, can reach above 6 m in concrete.
Infrared thermography is a technique that allows to measure the temperatures of objects by analyzing the intensity of the thermal emission without the need of direct contact with very high spatial and temporal resolution. As the temperature is a fundamental factor for the additive manufacturing processes of metals, infrared thermography can provide experimental data that can be used for the validation of simulations and improving the understanding of the processes as well as for in-situ process monitoring for nondestructive evaluation (NDE) for quality control.
In this talk we will provide an overview over the possibilities of state of the art thermographic in-situ monitoring systems for the DED-LB/M and PBF-LB/M processes and the challenges such as phase transitions and unknown emissivity values in respect to the determination of real temperatures. We define the requirements for different camera systems in various configurations and give examples on the selection of appropriate measurement parameters and data acquisition techniques as well as on techniques for data analysis and interpretation. Finally, we compare in-situ monitoring methods against post NDE methods by analyzing the advantages and disadvantages of both.
This research was funded by BAM within the Focus Area Materials.
Additive manufacturing technologies provide unique possibilities in the production of topologically optimized, near-net shape components. The main limiting factors affecting the structural integrity of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) parts are manufacturing defects and residual stress (RS) because both of them are virtually inevitable. Taking into account the complex thermal history of LPBF materials, a prediction of the material behavior is not possible without experimental data on the microstructure, defect distribution, and RS fields. Therefore, this thesis aims to understand the factors that influence the LPBF Ti-6Al-4V material performance the most, covering both the production and the post-processing steps of manufacturing.
Indeed, a parametric study on the influence of manufacturing process and post-processing on RS, defects and microstructure was performed. It was found that the volumetric energy Density (EV), commonly used for the LPBF process optimization, does neither consider the pore shapes and distribution, nor the influence of individual parameters on the volume fraction of pores.
Therefore, it was recommended not to use EV without great care. It was shown that the Position on the base plate has a great impact on the amount of RS in the part.
The micromechanical behavior of LPBF Ti-6Al-4V was also studied using in-situ Synchrotron X-ray diffraction during tensile and compression tests. Diffraction elastic constants (DEC), connecting macroscopic stress and (micro) strain, of the LPBF Ti-6Al-4V showed a difference
from the DEC of conventionally manufactured alloy. This fact was attributed to the peculiar microstructure and crystallographic texture. It was therefore recommended to determine experimentally DECs whenever possible.
Low Cycle Fatigue (LCF) tests at a chosen operating temperature were performed to evaluate the effect of post-treatment on the mechanical performance. Through the information on the microstructure, the mesostructure, and the RS, the LCF behavior was (indirectly) correlated to the process parameters. It was found that the fatigue performance of LPBF samples subjected to hot isostatic pressing is similar to that of hot-formed Ti-6Al-4V. The tensile RS found at the
surface of LPBF as-built samples decreased the fatigue life compared to the heat-treated samples. The modification of the microstructure (by heat treatment) did not affect the Fatigue performance in the elastic regime. This shows that in the absence of tensile RS, the manufacturing defects solely control the failure of LPBF components and densification has the strongest effect on the improvement of the mechanical performance.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), as one of the most promising production process in the field of metal additive manufacturing, enables traditional constructive solutions to be rethought and the manufacturing of optimized components according to the "form follows function" principle. The most significant obstacle for a broad industrial application of the L-PBF process is the inadequate quality assurance during the manufacturing process so far, leading to high production costs. Although several mainly camera based commercial in-process monitoring systems are already available, a deep understanding of the interpretation of the monitored data and correlation with actual defects is still lacking. One reason for this is the reduction of the complex process signature to just one measurement value.
The focus of this contribution is the presentation of the multispectral optical tomography as alternative to single measurand in-situ monitoring systems. The potential of this approach is hereby shown on L-PBF printed samples with induced process instabilities. Beyond that, an in-house developed L-PBF printer for further testing of multi-sensor in-situ monitoring systems is presented.
Sehr geehrte Damen und Herren,
liebe Leserinnen und Leser,
bereits im ersten Band der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung hatte ich angeführt, dass bei der Untersuchung von kulturellen Artefakten naturwissenschaftliche Untersuchungsmethoden zunehmend an Bedeutung gewinnen, sie eigentlich unverzichtbar geworden sind.
Ein besonders einprägsames Beispiel dieser fächerübergreifenden Zusammenarbeit zwischen Geisteswissenschaften, Naturwissenschaften und Restaurierungswissenschaften war die Ausstellung Johannes Vermeer. Vom Innehalten, die in diesem Jahr in der Gemäldegalerie Alter Meister in den staatlichen Kunstsammlungen Dresden gezeigt wurde. Eigens für diese Ausstellung wurde das Gemälde Brieflesendes Mädchen am offenen Fenster einer grundlegenden Restaurierung unterzogen. Diese Restaurierung diente jedoch nicht nur der Reparatur des Bildes. Um sich dem ursprünglichen Zustand des Gemäldes zwischen 1657 und 1659 anzunähern, wurden später hinzugefügte Malschichten großflächig abgenommen. Möglich wurde dies durch unterschiedliche, bildgebende materialwissenschaftliche Untersuchungen im Vorfeld, welche die wissenschaftlichen Grundlagen für die Diskussion über den weiteren Umgang mit der Lesenden schufen.
Materialanalytische Verfahren wurden und werden ständig weiterentwickelt und optimiert. Sei es, um aus einer Vielzahl von Einzelmessungen ein Gesamtbild zu erstellen, oder die Größe einer Probenentnahme so zu reduzieren, dass von einer „minimal-invasiven“ oder „quasi nicht-invasiven“ Untersuchung ausgegangen werden kann. Nun feiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, zusammen mit ihren Vorgängerinstitutionen, den königlichen Versuchsanstalten, in diesem Jahr ihren einhundertfünfzigsten Geburtstag. Sie blickt damit auf eine lange Tradition materialwissenschaftlicher Analysen zurück, an deren Beginn beispielsweise die metallographischen Untersuchungen von Adolf Martens stehen. Derartige Untersuchungen bilden auch heute noch einen wesentlichen Bestandteil archäometallurgischer Forschung. Die Historie bzw. die Weiterentwicklung der Methodik lässt sich hier besonders gut nachzeichnen. Jedoch blicken auch Verfahren zur Charakterisierung weiterer Werkstoffe, wie Glas, Keramik, oder organischer Materialien auf eine lange Geschichte zurück.
Die in diesem Band der N.i.Ke.-Schriftenreihe präsentierten Beiträge dokumentieren einerseits aktuelle Forschungsarbeiten, die erst in diesem Jahr in entsprechenden Fachjournalen publiziert wurden, andererseits liegen einige der Arbeiten bereits 50 Jahre zurück. Sie bekunden damit nicht nur die materialtechnologische und historische Bandbreite der Projekte, sondern offenbaren die Vielfältigkeit kulturhistorischer oder restauratorischer Fragestellungen, zu deren Beantwortung natur- und materialwissenschaftliche Forschung wesentliche Beiträge liefern können.
Ich bedanke mich bei allen Kolleginnen und Kollegen, die zur Erstellung dieser dritten Ausgabe der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung beigetragen haben. Ihre Aufsätze ermöglichen den Blick in die Vielfältigkeit materialwissenschaftlicher Untersuchungen im Bereich Kunst- und Kulturgut. Ich wünsche Ihnen viel Spaß auf dieser kleinen Zeitreise.
The manufacturing of metal parts for the use in safety-relevant applications by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) demands a quality assurance of both part and process. Thermography is a nondestructive testing method that allows the in-situ determination of the thermal history of the produced part which is connected to the mechanical properties and the formation of defects [1]. A wide range of commercial thermographic camera systems working in different spectral ranges is available on the market. The understanding of the applicability of these cameras for qualitative and quantitative in-situ measurements in L-PBF is of vital importance [2]. In this study, the building process of a cylindrical specimen (Inconel 718) is monitored by three camera systems simultaniously. These camera systems are sensitive in various spectral bandwidths providing information in different temperature ranges. The performance of each camera system is explored in the context of the extraction of image features for the detection of defects. It is shown that the high temporal and thermal process dynamics are limiting factors on this matter. The combination of different spectral camera systems promises the potential of an improved defect detection by data fusion.
Environmentally friendly alternatives to cement are created through the synthesis of numerous base materials. The variation of their proportions alone leads to millions of materials candidates. Identifying suitable materials is very laborious; traditional systematic research in the laboratory consumes a lot of time and effort.
Sequential learning (SL) potentially speeds up the materials research process despite limited but highly complex available information. SL does not make direct predictions of material properties but ranks possible experiments according to their utility. The most promising experiments are prioritized over dead-end experiments and experiments whose outcome is already known.
Our work has shown that SL seems to be promising for cement research. So far, research has mainly focused on materials whose synthesis is faster and whose material properties require less time for development or characterization (allowing many successive experiments). Contrarily, in the case of binders, SL is only useful if few experiments lead to the desired goal, as for example, the determination of the compressive strength alone typically requires 28 days.
In research practice, experimental designs and the availability of resources often determine which data can be used - for example, when some laboratory resources are not available or deemed irrelevant to a task. As a result, new research scenarios are constantly emerging, each of which requires to demonstrate SL’s performance.
We are presenting the SLAMD app to facilitate the exploration of SL methods in numerous research scenarios. The app provides flexible and low-threshold access to AI methods via intuitive and interactive user interfaces. We deliberately pursue a software-based research approach (as opposed to code-, or script-based). On the one hand, the results are more comprehensible since we refer to a common (code) basis (’reproducible science’). On the other hand, the methods are easily accessible to all which accelerates the knowledge transfer into laboratory practice.
Laser powder bed fusion (LPBF) is an additive manufacturing process for materials which inherently tends to yield various degrees of metastable hierarchical microstructures, defects and high residual stresses in the as-built condition depending on the process parameters. The understanding of the evolution of these typical features during heat treatment and subsequent thermal and mechanical ageing is crucial for the wider acceptance for safety critical structures. A multi-disciplinary research project at BAM studying the development of the microstructure, defects, residual stresses typical of LPBF 316L and their evolution during thermal and mechanical ageing has led to insights into the stability of these inherent features. This presentation aims to give a broad overview of the project with a few specific cases of investigation. Firstly, the formation of residual stresses, the nature of the initial microstructure, the tensile properties and a modelling approach to understand the anisotropy will be presented. This will be followed by examples of studies of their evolution during heat treatment, long term thermal exposure, and room temperature and high temperature mechanical testing compared to a baseline of conventional wrought variant of the same alloy.
Additive manufacturing (AM) technologies are experiencing an exceedingly rapid growth, driven by their potential through layer wise deposition for transformational improvements of engineering design, leading to efficiency and performance improvements. Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is an Additive Manufacturing (AM) method which permits the fabrication of complex structures that cannot otherwise be produced via conventional subtractive manufacturing methods. Nevertheless, the rapid cooling rates associated with this process results in the formation of significant and complex residual stress (RS) fields. A large body of both experimental and simulation research has been dedicated in recent years to the control and mitigation of RS in AM. In order to validate simulations with the end goal of being able to model the residual stress state in AM components and to devise strategies for their reduction during manufacturing, experimental methods need to be able to accurately determine 3D residual stresses fields in complex geometries. Several destructive and non-destructive methods can be used to analyze the RS state, the choice of which depends on the geometry and the information required. Diffraction-based methods using penetrating neutron and synchrotron X-rays at large scale facilities offer the possibility to non-destructively spatially resolve both surface and bulk residual stresses in complex components and track their changes following applied thermal or mechanical loads. This presentation will overview the success stories of using large scale facilities by the BAM for the characterization of residual stresses in additively manufactured metallic alloys. In particular, the study of the influence of process parameters on the residual stress state and the relaxation of these stresses through heat treatment will be presented. However there remains challenges to overcome particularly of the hypotheses underlying the experimental determination of residual stresses, which will be discussed.
The progress of Advanced Manufacturing, which has been identified by the European Commission as a Key Enabling Technology (KET) for future economic and societal progress is strongly reliant on the development of metrology capabilities. EURAMET, the association of metrology institutes in Europe, has established metrology research programs to address the metrology requirements across a spectrum of different thematic areas. In order to leverage the benefits of these developments on the wider industrial landscape, a high-level coordination of the metrology community supporting the Advanced Manufacturing landscape is required. This coordination is aimed to be achieved by the establishment of European Metrology Networks (EMNs), which are intended by EURAMET to provide a sustainable structure for stakeholder engagement and support. The joint networking project 19NET01 AdvManuNet funded by EMPIR for 4 years, started in June 2020 and aims to accelerate the process of establishing an EMN to strengthen Europe’s position in Advanced Manufacturing. The AdvManuNet project aims to support the establishment of an EMN on Advanced Manufacturing via the following specific aims:
1. Creation of a single hub for stakeholder engagement across the landscape of various industrial sectors including relevant societies and standardization bodies.
2. Development of a Strategic Research Agenda (SRA) and roadmaps for Advanced Manufacturing metrology based on the stakeholder engagement activities, considering current gaps in metrological capabilities existing networks and roadmaps.
3. Establish a knowledge-sharing program for Advanced Manufacturing stakeholders, promoting the dissemination and exploitation of the results of the project, including those from previous EU funded research projects.
4. Development of a sustainable web-based platform and service desk for Advanced Manufacturing stakeholders to allow for easy access to European metrology capabilities and support the wider advanced manufacturing community with metrology-based requirements.
5. Develop a plan for a coordinated and sustainable European metrology infrastructure for Advanced Manufacturing via a European Metrology Network.
The project concept followed by the scope and definition of Advanced Manufacturing will be described. The analysis of the current capability of metrology for Advanced Manufacturing and the preliminary concepts for the strategic research agenda will be presented with a focus on dimensional metrology.
Advanced Manufacturing and Advanced Materials have been identified by the European Commission as one of six Key Enabling Technologies (KETs), the full exploitation of which will create advanced and sustainable economies. Metrology is a key enabler for progress of these KETs. EURAMET, which is the association of metrology institutes in Europe, has addressed the vital importance of Metrology for these KETs through the support for the creation of a European Metrology Network for Advanced Manufacturing. The EMN for Advanced Manufacturing (AdvanceManu) was approved in June 2021 and held the formal kick-of meeting in October 2022. The EMN comprises both National Metrology Institutes (NMIs) from across Europe and other designated Institutes (Dis). The EMN is organized in three sections; Advanced Materials, Smart Manufacturing Systems and Manufactured components and products. The aim of the EMN is to engage with stakeholders in the field of Advanced Manufacturing and Advanced Materials (Large & SMEs, industry organisations, existing networks and academia) with the aim to prepare a Strategic Research Agenda (SRA) for Metrology for Advanced Manufacturing. In the shorter term, an orientation paper is aimed to be produce to in the context of the European Partnership for Metrology. In addition to the SRA, the EMN will establish knowledge and technology transfer and promotion plan. This includes leveraging the existing research results from the completed and running EMPIR JRP projects funded through EURAMET.
This presentation will outline the EMN for Advanced Manufacturing, describing the structures and goals, the route to the production of the SRA and the progress made to date identifying the key metrology challenges across the related Key Industrial Sectors (KICs). In particular, the presentation aims to inform the community on how to be involved in the shaping of the strategic research agenda for the future of Metrology for Advanced Manufacturing and Advanced Materials.
Introduction to AGIL
(2021)
Nowadays, teeth are not directly extracted when tooth decay occurs. Whenever treatment of the affected tooth is possible, the carious region is replaced with a suitable filling. The filling material differs according to the position and size of the cavity. Since the restoration will remain in the tooth for many years, a well adhering and sealing interface between filling and healthy tooth tissue is needed. There is continuous development of new materials, but intensive studies of this complex interface between filling and healthy tooth are still lacking. Little is known about possible diffusion of elements from dental materials into healthy tooth tissue forming a socalled interzone with specific chemical and structural properties.
The combination of different analytical X-ray methods at synchrotron radiation facilities and in the laboratory enables an extensive structural and elemental investigation of such interzones. While X-ray fluorescence techniques and X-ray absorption spectroscopy yield elemental distributions and localized chemical speciation, X-ray diffraction, refraction and computed tomography add structural information to the full 3D analysis of model and real life tooth
samples. Within two DFG funded projects, we develop adapted methodologies and investigate
micro-chemical changes in interzones which we hypothesize may lead to sclerotic dentine.
Within the DFG project ‘IXdent’, first results have been achieved on 2D µXRF and X-ray refraction radiography measurements as well as combined 3D confocal µXRF and µXCT investigations at the interface between filling and bovine tooth tissue. The benefit of multiple analytical techniques and the combination of structural and elemental analysis will be demonstrated.
Fibre-Matrix-Debonding in glass fibre reinforced dental posts can play an important role for their mechanical performance and long term stability… We show that synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR) allows analysis of large samples (up to several millimetres) without compromising the detectability of sub micrometer defects.
Wir präsentieren Labor- und Synchrotron-Röntgenrefraktionstechniken, wie sie an der BAM implementiert sind.
Wir zeigen, dass die Labor-Röntgenrefraktionstopographie (XRRT) und die Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie (SRRR) außergewöhnliche Werkzeuge zur Untersuchung von Schädigungen und inneren Defekten (Poren, Mikrorisse) in leichten Materialien wie Keramiken und Kompositen sind. Tatsächlich nutzen diese Techniken den an Grenzflächen auftretenden Röntgenbrechungseffekt aus, um den Kontrast zwischen dem (schwach absorbierenden) Objekt und dem Hintergrund zu erhöhen. Dies ermöglicht die Erkennung sehr kleiner Objekte (sogar bis zu 1 nm Rissöffnung) und die Quantifizierung ihrer spezifischen Oberfläche, die mit ihrem Einfluss auf die Materialeigenschaften korreliert. Wir zeigen die folgenden Anwendungen: a) Quantifizierung der Faserentbindung in laminaten Epoxid-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen; b) Mapping der Porengröße in gesinterten Keramiken; c) Eindringstiefe von Aschen in Keramikschutzschichten; d) Quantifizierung der Porenorientierung in Diesel Partikelfiltern; e) 3D-Darstellung von Makrorissen und Faserentbindung in Verbundwerkstoffen auf Ti-Basis für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt (unter Verwendung von Röntgenrefraktionstomographie).
Metal Additive manufacturing (AM) technologies such as Laser Powder Bed Fusion (LPBF) enable the fabrication of complex structures, giving rise to potential improvements in component and manufacturing efficiency. However, the processes are typically characterized by the generation of high magnitude residual stress (RS) which can have detrimental consequences for subsequent applications. Therefore, the characterization of these RS fields and the understanding of their formation and mitigation through optimized processing is crucial for the wider uptake of the technology. Due to the potential complex nature and high value of components manufactured by LPBF, it is important to have suitable characterisation methods which can determine the spatial variations of RS in a non-destructive manner. Neutron diffraction is considered to be the best suited for these requirements. However, the microstructures developed in the complex thermal cycles experience in the production can pose challenges to the ND method for RS analysis. The BAM has conducted significant research over the past years to overcome these obstacles, enabling higher confidence in the RS determined in LPBF materials by neutron diffraction. This contribution will overview some of these advancements made recently at European neutron sources including on Stress-Spec at FRM2/MLZ.
Additive manufacturing of metals gains increasing relevance in the industrial field for part production. However, especially for safety relevant applications, a suitable quality assurance is needed. A time and cost efficient route to achieve this goal is in-situ monitoring of the build process. Here, the BAM project ProMoAM (Process monitoring in additive manufacturing) is briefly introduced and recent advances of BAM in the field of in-situ monitoring of the L-PBF and the LMD process using thermography are presented.
Vor allem in den letzten Jahren ist das Interesse der Industrie an der additiven Fertigung deutlich gestiegen. Die Vorteile dieser Verfahren sind zahlreich und ermöglichen eine ressourcenschonende, kundenorientierte Fertigung von Bauteilen, welche zur stetigen Entwicklung neue Anwendungsbereiche und Werkstoffe führen. Aufgrund der steigenden Anwendungsfälle, nimmt auch der Wunsch nach Betriebssicherheit unabhängig von anschließenden kostenintensiven zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren zu. Zu diesem Zweck werden im Rahmen des von der BAM durchgeführten Themenfeldprojektes „Prozessmonitoring in Additive Manufacturing“ verschiedenste Verfahren auf ihre Tauglichkeit für den in-situ Einsatz bei der Prozessüberwachung in der additiven Fertigung untersucht. Hier werden drei dieser in-situ Verfahren, die Thermografie, die optische Emissionsspektroskopie und die Schallmissionsanalyse für den Einsatz beim Laser-Pulver-Auftragschweißen betrachtet.
The laser powder bed fusion of 316L leads to the formation of large residual stress. In this presentation, different stress relieve treatments were employed to assess their potential to relax the residual stress. The residual stress was determined by X-ray and neutron diffraction. The results give insights on the range of relaxation one can obtain by employing low and high temperature heat treatments and relates the relaxation to changes in the microstructure.
For metal-based additive manufacturing (AM) to achieve leaner designs and enable longer life predictions, it is imperative to gain a detailed knowledge of the residual stress (RS) built-up. Laser powder bed fusion (LPBF) is an AM technique particularly prone to RS because of the highly localized heat source, extremely high cooling rates (in the order of 103-107 K/s), and successive cooling and heating cycles of the solidified material. Furthermore, RS analysis of LPBF materials by diffraction methods is peculiar because of the complexity of the thermal history, the possibility of encountering high levels of surface roughness, spatial textural variations and/or changes in solute concentrations at the component scale.
Diverse aspects of the influence of scanning strategies on the as-built residual stress state of a LPBF IN718 alloy will be presented, with particular focus on the challenges that AM microstructures pose for a reliable RS determination.
Al-Si alloys produced by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) techniques allow the fabrication of lightweight free-shape components. Due to the high cooling rates occurring during the building process, L-PBF AlSi10Mg alloys exhibit an ultra-fine microstructure that leads to superior mechanical properties in the as-built condition compared to conventional cast Al-Si materials. Nevertheless, L-PBF processing induces high thermal gradients, leading to deleterious residual stress. In order to relax detrimental residual stress and to increase the ductility, post-processing stress relief treatments are performed. The objective of the contribution is to investigate, under different heat treatment condition, the evolution of microstructure and residual stresses in view of optimizing the fatigue performance of the alloy. To this purpose various heat treatments in a range of temperatures between 265°C and 300°C for a duration between 15 minutes and 2 hours are performed.
Additive Manufacturing (AM) in terms of laser powder-bed fusion (L-PBF) offers new prospects regarding the design of parts and enables therefore the production of complex structures. The quality of the feedstock material receives increasing attention, as it depicts the first part of the L-PBF process chain. The powder quality control in terms of flowability and powder bed packing density is therefore mandatory.
In this work, a workflow for quantitative 3D powder analysis in terms of particle size, particle shape, particle porosity, inter-particle distance and packing density was established. Synchrotron computed tomography (CT) was used to correlate the packing density with the particle size and particle shape for three different powder batches. The polydisperse particle size distribution (PSD) was transformed into a statistically equivalent bidisperse PSD. The ratio of the small and large particles helped to understand the powder particle packing density. While the particle shape had a neglectable influence, the particle size distribution was identified as major contributor for the packing density.
Typically, the near-eutectic Al-Si alloys consist of highly interconnected three-dimensional network of the eutectic Silicon (Si) and intermetallics embedded into Aluminium (Al) matrix. For further improvement of the mechanical properties of such alloys, often, one single ceramic reinforcement phase, e.g. silicon carbide (SiC) or aluminium oxide (Al2O3) in the form of fibres or particles is added. However, hybrid reinforcements (fibres and particles) can further improve wear resistance and fracture toughness, and additionally, reduce anisotropy of the material. The engineering of metal matrix composites (MMC) for specific application requirements benefits from a comprehensive knowledge of the failure behaviour. Therefore, damage evolution under compression was investigated on:
- pure near-eutectic AlSi12CuMgNi matrix alloy
- type I: matrix reinforced with random-planar oriented Al2O3 short fibres (15 vol.%)
- type II: matrix reinforced with random-planar oriented Al2O3 short fibres (7 vol.%) and additional SiC particles (15 vol.%)
The analysis of damage mechanism was carried out in two rather independent but complementary studies. First, selected sister samples of every material were exposed to quasi-static compression (traverse control). The compression tests were interrupted at different strain levels. Miniature cylinders with a diameter of 1mm were extracted from the pre-strained samples and investigated by synchrotron computed tomography (SX-µCT) with a spatial resolution of about 0.7 µm. For the pure matrix alloy, microcracks are confined to the intermetallic particles and to the eutectic Si, hence no damage was observed in the Aluminium. The composite type II revealed a more effective strain accumulation (less damage) than type I at low plastic strain (up to 5 %), but a more catastrophic damage development due to cracking of the SiC clusters at higher strain levels.
The second approach to study the damage initiation and accumulation in the materials subjected to compressive load was Acoustic Emission (AE) analysis. In this case the in-situ monitoring of the acoustic emission signal was performed during compression tests on specimens with dimension of several mm. For all three material types, AE activity set at 2% strain. Differences in AE behaviour of the three materials was proven based on AE hitrate, signal peak amplitudes as well as weighted peak frequencies (WPF). Future work focuses on combination of AE and SX-µCT aiming for more detailed knowledge on damage mechanism of metal matrix composites.
Von den Zellulosefibrillen über die Zellwand und die Anordnung der Früh- und Spätholzzellen in einem Jahrring bis hin zum Balken von Natur aus ist Holz ein optimierter Hochleistungswerkstoff, der Handwerker, Architekten, Ingenieure und Wissenschaftler fasziniert und begeistert. Im digitalen Zeitalter werden neben Standard-Laborexperimenten zunehmend Modelle und Simulationen eingesetzt, um das Verhalten des Materials unter verschiedenen Belastungen besser zu verstehen und vorherzusagen. Dazu werden Zahlenwerte von Verformungen im subzellulären Maßstab benötigt, die nun in Experimenten an der TOMCAT-Beamline (TOmographic Microscopy and Coherent rAdiology ExperimenTs) der SLS (Swiss Light Source) gewonnen werden konnten: Holzproben aus Fichte ( Picea abies Karst.) mit einem Prüfquerschnitt von mindestens 1 mm² auf Zug oder Druck beansprucht. Die strukturellen Veränderungen auf Zellebene wurden mittels Computertomographie erfasst. Für die nachträgliche Analyse der 3D-Mikrostruktur von Holz wurde ein Ansatz entwickelt, der es ermöglicht, einzelne Zellen, die in mehreren Tomogrammen unterschiedlicher Belastungszustände erfasst wurden, zu verfolgen. Dabei wurden die Zellgeometrien und das subzelluläre Deformationsverhalten quantifiziert. Unter Zugbelastung beispielsweise verengt sich die Zellwanddicke um ca. 0,8%, das sind bei der gemessenen mittleren Zellwanddicke von 3,5 µm ca. 28 nm. Diese und andere Erkenntnisse liefern nun einen direkten numerischen Zusammenhang zwischen Verformungen der Holzmikrostruktur und dem daraus resultierenden makroskopischen Verhalten.
Von den Zellulosefibrillen über die Zellwand und die Anordnung der Früh- und Spätholzzellen in einem Jahrring bis hin zum Balken von Natur aus ist Holz ein optimierter Hochleistungswerkstoff, der Handwerker, Architekten, Ingenieure und Wissenschaftler fasziniert und begeistert. Im digitalen Zeitalter werden neben Standard-Laborexperimenten zunehmend Modelle und Simulationen eingesetzt, um das Verhalten des Materials unter verschiedenen Belastungen besser zu verstehen und vorherzusagen. Dazu werden Zahlenwerte von Verformungen im subzellulären Maßstab benötigt, die nun in Experimenten an der TOMCAT-Beamline (TOmographic Microscopy and Coherent rAdiology ExperimenTs) der SLS (Swiss Light Source) gewonnen werden konnten: Holzproben aus Fichte ( Picea abies Karst.) mit einem Prüfquerschnitt von mindestens 1 mm² auf Zug oder Druck beansprucht. Die strukturellen Veränderungen auf Zellebene wurden mittels Computertomographie erfasst. Für die nachträgliche Analyse der 3D-Mikrostruktur von Holz wurde ein Ansatz entwickelt, der es ermöglicht, einzelne Zellen, die in mehreren Tomogrammen unterschiedlicher Belastungszustände erfasst wurden, zu verfolgen. Dabei wurden die Zellgeometrien und das subzelluläre Deformationsverhalten quantifiziert. Unter Zugbelastung beispielsweise verengt sich die Zellwanddicke um ca. 0,8%, das sind bei der gemessenen mittleren Zellwanddicke von 3,5 µm ca. 28 nm. Diese und andere Erkenntnisse liefern nun einen direkten numerischen Zusammenhang zwischen Verformungen der Holzmikrostruktur und dem daraus resultierenden makroskopischen Verhalten.
Since additive manufacturing processes typically introduce heterogeneous microstructures and residual stresses, the applicability of parts produced in an as-built state is limited. Therefore, often different post-processing treatments are necessary to obtain the desired stress state and properties.
For additively manufactured Inconel 718, the recently developed standard ASTM F3301 provides guidance for the heat treatment of powder bed fusion specimens. Although this standard is based on standards developed for wrought Inconel 718, it does not include the direct aging variant. In this study, we characterized the microstructure and tensile behavior of Inconel 718 specimens produced by a laser powder bed fusion process. The specimens were heat-treated according to two different routines after stress relieving: a full heat treatment cycle versus a one-step aging process. Differences in the resulting texture and grain morphology were observed. Although these differences prevail, the ex-situ tensile behavior was broadly similar. Minor differences were observed in yield strength and work hardening rate for the direct aged specimen. In order to understand this behavior, investigations with in-situ tensile testing during synchrotron energy-dispersive X-ray diffraction measurements revealed differences in the load partitioning among different crystal directions. This was attributed to microstructural differences between the heat treatment variants. Further analysis emphasized that the various strengthening mechanisms are present to a different extent depending on the heat-treatment cycle applied. In addition, the elastic anisotropy expressed by the differences in the diffraction elastic constants displayed a dependence on the microstructure. Importantly, a precise knowledge of such constants is indispensable to reliably determine residual stresses in parts.
Ti-6Al-4V alloy is intensively used in the aerospace industry because of its high specific strength. However, the application of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) Ti-6Al-4V alloy for structurally critical load-bearing components is limited. One of the main limiting factors affecting the structural integrity, are manufacturing defects. Additionally, the high cooling rates associated with LPBF process result in the formation of large residual stress (RS) with complex fields. Such RS can cause cracking and geometrical distortions of the part even right after production. Also, the microstructure of LPBF Ti-6Al-4V in the as-built condition is significantly different from that of the conventionally produced alloy. All these factors affect the mechanical behavior of the material. Therefore, to improve the material performance it is important to evaluate the individual effect of RS, defects, and microstructure on fatigue life. To this aim Ti-6Al-4V LPBF material in as-built condition and subjected to different post-processing, including two heat treatments (for stress relief and microstructural modification) and Hot Isostatic Pressing (HIP, for densification), were investigated.
Prior to fatigue tests at elevated temperature, the microstructure, the mesostructure, and subsurface RS on the fatigue samples were investigated. It was found that the fatigue performance of HIPped samples is similar to that of conventionally produced Ti-6Al-4V. The tensile RS found at the surface of as-built samples decreased the fatigue life compared to heat-treated samples. Additionally, the modification of the microstructure (by heat treatment) did not affect the fatigue performance in the regime of mostly elastic strain. This shows that in the absence of tensile RS the manufacturing defects solely control the failure of LPBF components and densification has the strongest effect on the improvement of the mechanical performance.
This study is shown as an example of the potential of synchrotron X-ray refraction technique to determine the evolution of damage in brittle (microcracked) materials. The strength of X-ray refraction resides in its high detectability of features (e.g., cracks, pores) within large volumes, enabling a macroscopic characterization of the microstructure. The case study is a Zirconia-based cast refractory, which is aimed to function at high temperatures (even in excess of 1700°C) in industrial furnaces to enable the production of special glasses. Therefore, this material must withstand severe in-service conditions (both thermomechanical and chemical). X-ray refraction technique is used to monitor the microcracking evolution of the material, which was previously subjected to thermal cycles (crossing the martensitic phase transformation around 1000°C) at two different stress levels.
The relaxation of macroscopic residual stresses in laser powder bed fused stainless steel 316L
(2021)
The processing of stainless steel 316L using the additive manufacturing process Laser Powder Bed Fusion (LPBF) can widen its field of application due to a strong increase in Yield strength, without making major compromises on the ductility nor its outstanding corrosion and oxidation properties. Furthermore, improved designs that either reduce the weight or optimise the function of a part can be obtained using LPBF. These benefits are however counterbalanced by the proneness of LPBF to inducing high Residual Stresses (RS) during manufacturing. The characterisation and monitoring of these RS are of paramount importance for the wider acceptance of the LPBF process. This study focuses on the relaxation of the initial macroscopic RS present in an LPBF 316L as-built prism that undergoes various routes of manufacturing steps to achieve different specimen geometries and stress relieving treatments. The RS are determined using Angle-Dispersive (AD) and Time-of-Flight (TOF) neutron diffraction. The results reveal high tensile RS close to the surfaces and compressive RS near the centre of the as-built parts. The reduction in size and change of geometry heavily impact the stress ranges of the remaining RS, with lower stress ranges in cylindrical shaped compared to rectangular shaped specimens. Also, the application of different stress relieving heat treatments showed that heat-treating temperatures above 800 °C are necessary to obtain a strong relaxation in LPBF 316L.
In vielen Umgebungen, besonders bei hohen Temperaturen, korrosiven Umgebungen oder auf bewegten oder schlecht zugänglichen Flächen, kann die Temperatur nicht oder nur mit nicht akzeptablem Aufwand mit Berührungsthermometern gemessen werden. Diese Umgebungsbedingungen sind unter anderem in der chemischen Industrie, der Lebensmittel-, Metall-, Glas-, Kunststoff- und Papierherstellung sowie bei der Lacktrocknung anzutreffen. In diesen Bereichen kommen Strahlungsthermometer zum Einsatz. Der VDI-Statusreport zeigt typische Anwendungsfelder von nicht radiometrisch kalibrierten Wärmebildkameras und von radiometrisch kalibrierten Thermografiekameras. Um verlässlich mit spezifizierten Messunsicherheiten berührungslos Temperaturen zu messen, müssen die Strahlungsthermometer und Thermografiekameras nicht nur kalibriert, sondern radiometrisch und strahlungsthermometrisch umfassend charakterisiert werden. Auch die optische Materialeigenschaft, der spektrale Emissionsgrad und die Gesamtstrahlungsbilanz (Strahlung des Messobjekts und der Umgebung) sind bei der industriellen Temperaturmessung von großer Bedeutung. In den letzten Jahrzehnten ist dazu ein umfassendes technisches Regelwerk entstanden, das wir Ihnen mit diesem VDI-Statusreport vorstellen. Manche in den Richtlinien beschriebenen Kennwerte mögen abstrakt wirken. In diesem Statusreport zeigen wir an konkreten Beispielen, was diese Kenngrößen für die berührungslose Temperaturmessung bedeuten. Beispiele von Anwendungen zeigen, wo temperaturmessende Thermografiekameras und ausschließlich bildgebende Wärmebildkameras in der Praxis eingesetzt werden. Mit einer Analyse, welche Themen und Anwendungen derzeit besonders intensiv diskutiert werden, versuchen wir Trends für zukünftige Entwicklungen herauszuarbeiten.
In this seminar I present the microstructure and micromechanical properties of diesel particulate filter materials, and then particularize them to porous microcracked aluminum titanate.
I show that neutron diffraction is particularly suited for bulk studies, especially under applied load or at high temperatures. The combination of macroscopic and microscopic tests with modeling and simulation yields great added value to understand the mechanics of microcracking.
In this talk the basics of X-ray computed tomography (XCT) are presented, together with a description of complementary techniques such as Laminography and Stereoradiography.
A overview of the common reconstruction approach and of the artifacts that can occur during reconstruction or acquisition of XCT images is also given.
Finally, application examples in the field of construction materials are given, whereby several experimental techniques (Region of Interest Approach) and data analysis methods (e.g. Digital volume correlation) are explained. Such techniques and algorithms are used to extract quantitative information from ex- and in-situ experiments.
In this chapter, the current state-of-the-art of in situ monitoring and in situ NDE methods in additive manufacturing is summarized. The focus is set on methods, which are suitable for making statements about the quality and usability of a component currently being manufactured. This includes methods which can be used to determine state properties like temperature or density, other physical properties like electrical or thermal conductivity, the microstructure, the chemical composition, the actual geometry, or which enable the direct detection of defects like cracks, voids, delaminations, or inclusions. Thus, optical, thermographic, acoustic, and electromagnetic methods, as well as methods being suitable for investigating particle and fume emission are presented. The requirements of in situ monitoring methods with a focus on thermographic methods are discussed by considering different additive manufacturing processes like laser powder bed fusion (PBF-LB/M) and direct energy deposition (DED-LB/M). Examples of the successful implementation and applications of such monitoring methods at BAM are given. The in situ monitoring and NDE methods are compared against post-process NDE methods. The advantages and challenges of in situ methods concerning real-time data analysis and the application of AI algorithms are addressed and discussed.
An unusual microstructure, inherent residual stresses and void formation are the three key aspects to control when assessing metallic parts made by LPBF. This talk explains an experiment to unravel the interlinked influence of the two mechanisms for the formation of residual stresses in LPBF: the temperature gradient mechanism and constricted solidification shrinkage. The impact of each mechanism on the shape and magnitudes of the residual stress distribution is described. Combined results from neutron diffraction, X-ray diffraction, computed tomography and in-situ thermography are presented.
Also, influence of scan strategies as well as surface roughness of subjacent layers on void formation is shown. Results from computed tomography and in-situ thermography of a specimen dedicated to study the interaction of the melt pool with layers of powder underneath the currently illuminated surface are presented.
Das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen (engl. laser powder bed fusion, L-PBF) ist die am weitesten verbreitete additive Fertigungstechnologie für die Herstellung metallischer Komponenten. Unter der Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Qualität und die mechanischen Eigenschaften von L PBF-Bauteilen hat die Zwischenlagenzeit (engl. inter layer time, ILT) bisher kaum Beachtung in der wissenschaftlichen Literatur gefunden, obwohl sie je nach Bauraumausnutzungsgrad stark variieren kann. In diesem Vortrag werden Ergebnisse einer Studie präsentiert, die den Einfluss der ILT in Kombination mit der Bauteilhöhe und unter Berücksichtigung verschiedener Volumenenergiedichten am Beispiel der austenitischen Stahllegierung AISI 316L untersucht. Die Fertigungsprozesse wurden in situ mittels Thermographiekamera überwacht, sodass Informationen über das Abkühlverhalten der Bauteile während des Prozesses gewonnen werden konnten. Es wurden signifikante Effekte der ILT und der Bauteilhöhe auf Wärmeakkumulation, Mikrostruktur, Schmelzbadgeometrie und Härte festgestellt. Ferner konnte ein Anstieg von Defektdichten bei einem gegenseitigen Wechselspiel aus Bauteilhöhe und ILT aufgezeigt werden. Die Zwischenlagenzeit wurde somit als kritischer Faktor für die L-PBF-Fertigung von Realbauteilen identifiziert.
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.
The formation of high magnitude residual stresses is inherent in laser powder bed fused processed austenitic steel 316L. Post-process heat treatments to relieve these stresses are necessary. In this study, heat treatment temperatures of 450°C, 800°C and 900°C were applied in order to avoid excessive sensitization. This temperature range thereby encompassed the upper and lower bounds for stress relieving treatment of this material. The residual stresses were determined by neutron diffraction and the evolution of the microstructure was monitored using scanning electron microscopy and electron backscattered diffraction. The results show that a full relaxation of the residual stresses is achieved when applying 900°C for 1 hour, which seems to be closely related to the dissolution of the subgrain solidification cellular structure.
Um das Material- und Schädigungsverhalten von additiv gefertigtem Polyamid 12 (PA12) unter quasistatischer Belastung zu charakterisieren, wurden mechanische Tests und Röntgenverfahren zur Bestimmung der Mikrostruktur eingesetzt. Die Proben wurden nach dem Prinzip des Selektiven Lasersinterns (SLS) hergestellt. Unter quasistatischer Belastung mit Haltezeiten ergab sich ein viskoplastisches Materialverhalten. Im Zugversuch wurde eine maximale Zugfestigkeit von 40.6 MPa und eine Bruchdehnung von 7.4% beobachtet. Mittels Röntgenrefraktion wurde eine Erhöhung von inneren Oberflächen beobachtet, die senkrecht zur Zugrichtung orientiert sind. Die Analyse der Gesamtporosität aus Computertomographie-Messungen ergab keine Änderung infolge der Zugbelastung. Jedoch wurde eine bimodale Porengrößenverteilung und eine steigende Sphärizität festgestellt. Das Materialverhalten wurde mit dem Chaboche-Modell simuliert und ergab eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Allerdings gestattet dieses Modell nicht, das Schädigungsverhalten abzubilden. Daher wurde zur Simulation des Schädigungsverhaltens das Modell gemäß dem Ansatz von Gurson, Tvergaard und Needleman unter Berücksichtigung der mikrostrukturellen Parameter erweitert. Der Schwerpunkt des Beitrags liegt auf den Röntgenverfahren zur experimentellen Bestimmung der Mikrostruktur.
Um das Material- und Schädigungsverhalten von additiv gefertigtem Polyamid 12 (PA12) unter quasistatischer Belastung zu charakterisieren, wurden mechanische Tests und Röntgenverfahren zur Bestimmung der Mikrostruktur eingesetzt. Die Proben wurden nach dem Prinzip des Selektiven Lasersinterns (SLS) hergestellt. Unter quasistatischer Belastung mit Haltezeiten ergab sich ein visko¬plastisches Materialverhalten. Im Zugversuch wurde eine maximale Zugfestigkeit von 40.6 MPa und eine Bruchdehnung von 7.4% beobachtet. Mittels Röntgenrefraktion wurde eine Erhöhung von inneren Oberflächen beobachtet, die senkrecht zur Zugrichtung orientiert sind. Die Analyse der Gesamtporosität aus Computertomographie-Messungen ergab keine Änderung infolge der Zugbelastung. Jedoch wurde eine bimodale Porengrößenverteilung und eine steigende Sphärizität festgestellt. Das Materialverhalten wurde mit dem Chaboche-Modell simuliert und ergab eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Allerdings gestattet dieses Modell nicht, das Schädigungsverhalten abzubilden. Daher wurde zur Simulation des Schädigungsverhaltens das Modell gemäß dem Ansatz von Gurson, Tvergaard und Needleman unter Berücksichtigung der mikrostrukturellen Parameter erweitert. Der Schwerpunkt des Beitrags liegt auf den Röntgenverfahren zur experimentellen Bestimmung der Mikrostruktur.
Die Degradation von Wärmedämmschichten(thermal barrier coatings - TBCs) in Gasturbinen durch glasartige Calcium-Magnesium-Aluminiumsilikat (CMAS)Ablagerungen aus verschiedenen Quellen istseit vielen Jahren ein anhaltendes Problem. In dieser Studie wurde mit Hilfe derSynchrotron-Röntgen-Refraktions-Radiographie (SXRR), und vergleichend mit der Elektronenmikroskopie, das Eindringen von CMAS in die poröse Struktur von atmosphärisch plasmagespritzten (APS)TBCs sowie die Bildung und das Wachstum von Rissen unter thermisch zyklischer Belastung untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Infiltration sowie deren Kinetik im Brenner-Teststand wesentlich vom Benetzungsverhalten des CMAS beeinflusst werden. Trotz desoffensichtlichen Angriffs von CMAS auf die Korngrenzen hat die Wechselwirkung von Yttriumdioxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) mit intrudiertem CMAS keinen unmittelbaren Einfluss auf die Struktur und Dichte der innen Oberflächen(Risse, Poren). In einem späteren Stadium wird die Bildung von Rissen senkrecht zur äußeren Oberfläche in einer breiteren Zone der TBC-Schicht beobachtet.
Die Degradation von Wärmedämmschichten(thermal barrier coatings - TBCs) in Gasturbinen durch glasartige Calcium-Magnesium-Aluminiumsilikat (CMAS)Ablagerungen aus verschiedenen Quellen istseit vielen Jahren ein anhaltendes Problem. In dieser Studie wurde mit Hilfe derSynchrotron-Röntgen-Refraktions-Radiographie (SXRR), und vergleichend mit der Elektronenmikroskopie, das Eindringen von CMAS in die poröse Struktur von atmosphärisch plasmagespritzten (APS)TBCs sowie die Bildung und das Wachstum von Rissen unter thermisch zyklischer Belastung untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Infiltration sowie deren Kinetik im Brenner-Teststand wesentlich vom Benetzungsverhalten des CMAS beeinflusst werden. Trotz desoffensichtlichen Angriffs von CMAS auf die Korngrenzen hat die Wechselwirkung von Yttriumdioxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) mit intrudiertem CMAS keinen unmittelbaren Einfluss auf die Struktur und Dichte der innen Oberflächen(Risse, Poren). In einem späteren Stadium wird die Bildung von Rissen senkrecht zur äußeren Oberfläche in einer breiteren Zone der TBC-Schicht beobachtet.
In Additive Manufacturing everybody is talking about Free Form, Unconventional Design, Re-thinking Components, “Think out of the box”.
However, there are a few outstanding question: a) What are the material properties ? They certainly differ from literature values for conventional materials; b) How about the microstructure? It is different from conventional materials. Does it stay so with ageing? How does it form? c) Do we properly take residual stress into account? We often blame them for our ignorance about failure scenarios. d) Do we apply tailored heat treatments? Very often, we follow conventional schedules…
This talk describes the summary of the efforts carried out within the BAM Project AGIL.
At BAM, we aimed to thoroughly investigate the microstructure and how it evolves as a function of load and temperature (service), to determine the material properties after different process and service conditions, to properly determine residual stress and the way it impacts mechanical properties and component performance, to properly quantify the impact of (unavoidable?) defects, and to determine heat treatments tailored to the process-specific material (stress relieve, microstructure homogenization etc.).
The Project AGIL was and is intimately coupled with the project ProMoAM, dealing with online monitoring of AM processes.
Laser powder bed fusion is used to create near net shape metal parts with a high degree of freedom in geometry design. When it comes to the production of safety critical components, a strict quality assurance is mandatory. An alternative to cost-intensive non-destructive testing of the produced parts is the utilization of in-situ process monitoring techniques. The formation of defects is linked to deviations of the local thermal history of the part from standard conditions. Therefore, one of the most promising monitoring techniques in additive manufacturing is thermography. In this study, features extracted from thermographic data are utilized to investigate the thermal history of cylindrical metal parts. The influence of process parameters, part geometry and scan strategy on the local heat distribution and on the resulting part porosity are presented. The suitability of the extracted features for in-situ process monitoring is discussed.
The quality of additively manufactured components is significantly influenced by the process parameters used during production. Thus, sensors and measuring systems are already commercially available for process monitoring, at least in metal-based additive manufacturing. However, it is not yet possible to detect defects and inhomogeneities directly or indirectly during the building process. The aim of the project ProMoAM is to develop spectroscopic and non-destructive testing methods for the in-situ evaluation of the quality of additively manufactured metal components in laser- or arc-based AM processes. In addition to passive and active methods of thermography, this includes optical tomography, optical emission spectroscopy, eddy current testing, laminography (radiography), X-ray backscattering, particle emission spectroscopy and photoacoustic methods.
Due to the rapid thermal cycles involved in additive manufacturing of metals, high internal stresses and peculiar microstructures occur, which influence the parts mechanical properties. To systematically examine their formation, in-process measurements of the temperature are needed. Since the part emissivity is strongly inhomogeneous and rapidly changing in the process, the applicability of thermography for the determination of thermodynamic temperatures is limited. Measuring the thermal radiation in different wavelengths simultaneously, temperature and emissivity can be separated. Here, we present results of a preliminary study using multispectral thermography to obtain real temperatures and emissivities in directed energy deposition (DED) processes.
Additive manufacturing of metals offers the opportunity to build parts with a high degree of complexity without additional costs, opening a new space for design optimization. However, the processes are highly complex and due to the rapid thermal cycles involved, high internal stresses and peculiar microstructures occur, which influence the parts mechanical properties. To systematically examine the formation of internal stresses and the microstructure, in-process spatially resolved measurements of the part temperature are needed. If the emissivity of the inspected part is known, its thermodynamic temperature can be reconstructed by a suited radiometric model. However, in additive manufacturing of metals, the emissivity of the part surface is strongly inhomogeneous and rapidly changing due to variations of, e.g., the degree of oxidation, the material state and temperature. Thus, here, the applicability of thermography in the determination of thermodynamic temperatures is limited. However, measuring the process thermal radiation at different wavelengths simultaneously enables one to separate temperature and emissivity spatially resolved to obtain further insight into the process. Here, we present results of an initial study using multispectral thermography to obtain real temperatures and emissivities in the powderfree LMD process.
Introduction to ProMoAM
(2021)
Ein Durchlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Die zerborstenen Gehäuseteile aus Kunststoff führten zu einem Austreten der Kühlflüssigkeit am Betriebsort sowie zu einem Personenschaden mit Knalltrauma. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet, aber reproduzierbar Knalleffekte auf der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass beim aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat ist nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar waren.
Damage tolerance counts as one of the most widespread approach to fatigue assessment and surely as one of the most promising in understanding the process-structure-property-performance relationships in additively manufactured metallic materials. Manufacturing defects, surface roughness, microstructural features, short and long crack fatigue propagation, residual stresses and applied loads can be taken into consideration in a fracture mechanics-based fatigue assessment. Many aspects are crucial to the reliable component life prediction. Among those a prominent role is played by an accurate measurement and modelling of the short crack fatigue behavior, and reliable statistical characterization of defects and residual stresses.
This work aims at addressing the issues related to both experimental testing, fatigue and fatigue crack propagation, and fracture mechanics-based modelling of fatigue lives. Examples will be provided on an additively manufactured AISI 316 L.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen.
In this Seminar cycle I will present first diffraction methods to determine residual stress and investigate micromechanical properties of complex materials, and then particularize the treatment with applications to porous microcracked ceramics for diesel particulate filter applications.
I will show that neutron diffraction is particularly suited for bulk studies, where 3D stresses are needed. The advantages to use Time-of-Flight or steady state sources will be discussed, together with the problematic of the determination of absolute RS values.
Finally, the behavior of DPF materials under applied load or at high temperatures will be discussed under the combination of macroscopic and microscopic tests.
In this Seminar cycle I will present first diffraction methods to determine residual stress and investigate micromechanical properties of complex materials, and then particularize the treatment with applications to porous microcracked ceramics for diesel particulate filter applications.
I will show that neutron diffraction is particularly suited for bulk studies, where 3D stresses are needed. The advantages to use Time-of-Flight or steady state sources will be discussed, together with the problematic of the determination of absolute RS values.
Finally, the behavior of DPF materials under applied load or at high temperatures will be discussed under the combination of macroscopic and microscopic tests.
The dispersive properties of Lamb waves can be utilised for material characterisation because the frequency-wavenumber-relationship, as well as the group velocity, depend on material parameters. These dependencies make a non-destructive estimation of an elastic constant possible. This preliminary study investigates the sensitivity of dispersion curves caused by a change in elastic constants. The Scaled Boundary Finite Element Method is used to compute special dispersion curves, which show the sensitivity value of the frequency and group velocity as a colour value. This representation allows for easy identification of patterns and local effects. Two sets of dispersion curves are presented, one set for a steel plate and the other set for a plate made of a carbon fibre reinforced polymer. In general, we notice that the sensitivity often increases with the frequency and that higher-order modes seem to be more suitable for material characterisation. Moreover, specific modes respond to material changes while others are relatively unaffected, which must be taken into consideration for material characterisation.