Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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 nondestructive 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. We study our proposed testing method along experiments carried out on a custom research PBF-LB/M machine using infrared (IR) cameras.
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.
In the approval process of dangerous goods packagings, drop tests onto a flat, essentially unyielding surface are used to assess resistance against mechanical damage. International adopted regulations like ADR and RID define filling good dependent drop heights and filling degrees whilst the user needs to define the maximum gross mass to be tested and approved. Maximum packaging gross mass is defined conservatively and not reached in practice. To meet the defined gross mass in testing, using additives is permitted. However, in some cases, additives are not desirable due to packaging design or filling substance properties. This leads to deviations from the initial gross mass definition. Hence, a certain drop height adjustment is necessary to achieve the required impact loading. Laboratories frequently adjust drop height assuming a perfectly elastic collision which is inaccurate. Appropriate adjustment is not trivial due to energy conversion processes, e.g., plastic deformation. In this work, a test stand is developed for measuring the change in kinetic energy of different packaging designs and filling substances in regulative drop tests. The experimental results are used to validate finite-element (FE) models so that packaging properties can be varied in simulated drop test scenarios. The findings intend to describe the appropriate drop height adjustment of the respective packaging with same design but deviating gross mass to produce comparable mechanical response. The results are highly beneficial for testing laboratories, approval issuing authorities and packaging institutes confronted with the problem of testing packages with gross masses other than those to be approved.
The stress–strain behavior of certain ceramics, such as aluminum titanate (AT, Al2TiO5), has features that are unusual for brittle material. In particular, a substantial nonlinearity under uniaxial tension, and load–unload hysteresis caused by the increase of the incremental stiffness at the beginning of unloading. These features are observed experimentally and attributed to microcracking. In this study, we investigate the mechanical response of an AT material at room and high temperature. Microstructure and microcracking are analyzed by means of electron microscopy, and both synchrotron micro computed tomography (µCT) and refraction radiography (SXRR). Synchrotron refraction radiography is combined with in-situ heating at high-temperatures (up to 1400°C) to be able to monitor the relative closure of microcracks as a function of increasing/decreasing temperatures.
In der automatisierten Ultraschallprüfung von Komponenten mit komplexen Oberflächengeometrien werden zur Führung des Prüfkopfes zunehmend 6-Achsen-Roboter erprobt. Diese stellen die notwendige Automatisierbarkeit und Flexibilität bereit, um die lokal senkrechte Einschallung sicherzustellen. Durch den Einsatz von linearen Arrays und bildgebenden Verfahren können die Bilder oder die daraus extrahierten Merkmale zu einer Rekonstruktion in 3D zusammengesetzt werden. Die Anforderungen an die Prüfbahnen für die bildgebende Array-Ultraschallprüfung gehen dabei über konventionellen Bahnplanungsprogramme hinaus. Es wird ein Prozess vorgestellt, der Roboterbahnen auf der Grundlage des 3D-Modells von Körpern mit doppelt gekrümmter Oberfläche unter Berücksichtigung der Prüfparameter erzeugt. Hierbei wird zum einen die senkrechte Prüfkopfstellung und zum anderen eine optimale Abdeckung der Oberfläche realisiert. Dabei wird die lokale Oberflächengeometrie beachtet, da diese das Reflexionsverhalten beeinflusst und sich daher auf die optimale Verteilung und Orientierung der Prüfpositionen auswirkt. Damit einhergehend erfolgt eine Ablösung von konventionellen Konzepten, die auf linearen Prüfbahnen basieren, welches spannende neue Prüfstrategien eröffnet.
The stress–strain behavior of certain ceramics, such as aluminum titanate (AT, Al2TiO5), has features that are unusual for brittle material. In particular, a substantial nonlinearity under uniaxial tension, and load–unload hysteresis caused by the increase of the incremental stiffness at the beginning of unloading. These features are observed experimentally and attributed to microcracking. In this study, we investigate the mechanical response of an AT material at room and high temperature. Microstructure and microcracking are analyzed by means of electron microscopy, and both synchrotron micro computed tomography (µCT) and refraction radiography (SXRR). Synchrotron refraction radiography is combined with in-situ heating at high-temperatures (up to 1400°C) to be able to monitor the relative closure of microcracks as a function of increasing/decreasing temperatures.
Additive manufacturing is one of the most promising techniques for industrial production and maintenance, but the specifics of the layered structure must be considered. The Direct Energy Deposition-Arc process enables relatively high deposition rates, which is favourable for larger components. For this study, specimens with different orientations were prepared from one AISI316 steel block – parallel and orthogonal to the deposition plane. Quasistatic tensile loading tests were carried out, monitored by an infrared camera. The obtained surface temperature maps revealed structural differences between both orientations. The consideration of surface temperature transients yields more details about the behaviour of the material under tensile loading than the conventional stress-strain-curve. These preliminary investigations were supplemented by thermographic fatigue trials. Although the anisotropy was also observed during fatigue loading the fatigue behaviour in general was the same, at least for both inspected specimens. The presented results demonstrate the abilities and the potential of thermographic techniques for tensile tests.
Im Rahmen des Projektes MRO2.0, das sich mit der digitalen Transformation des Servicezyklus von modernen Gasturbinenschaufeln beschäftigt, wurde gezeigt, wie sich automatisiert und flächendeckend die (Rest-)Wanddicke an variabel gekrümmten Prüfgeometrien bestimmen lässt. Es wurde ein Roboterarm verwendet, der ein lineares Ultraschallarray in Tauchtechnik führt und Prüfdaten aufnimmt, die mit einer adaptierten TFM (Total Focusing Method) zu Rekonstruktionen der Außen- und Innenoberfläche verarbeitet werden. In der aktuellen zweiten Projektphase wird die Methode für Werkstoffe erweitert, die anisotrope akustische Eigenschaften aufweisen. In diesem Beitrag wird eine Methode vorgestellt, wie sich die Kristallausrichtung bzw. die richtungsabhängige Schallgeschwindigkeit mittels eines linearen Ultraschallarrays bestimmen lässt. Für den Sendefall eines Randelements in Kontakttechnik können dabei Wellen identifiziert werden, die sich parallel zur Prüfkopfapertur im Prüfobjekt ausbreiten und mit der richtungsabhängigen Schallgeschwindigkeit skalieren. Die ermittelte Schallgeschwindigkeitsverteilung kann dann verwendet werden, um die lokale Wanddickenbestimmung für die Anisotropie zu adaptieren.
Ultrasonic testing (UT) of objects with complex geometries often requires the use of a robotic arm to position the probe perpendicular to the local surface. Using immersion makes it possible to test these objects with standard ultrasonic linear array probes. Here, the probe positions and orientations provided by the robot are used for merging the locally acquired image data into a 3D-reconstruction. The quality of this reconstruction is highly dependent on the alignment of the tool center point (TCP) of the physical probe with the TCP used in the digital model. For common industrial tools, the TCP is usually acquired using geometric features of the tools. However, for ultrasonic arrays in immersion, there is a water standoff between the probe and the test object, therefore the TCP is in free space in front of the array and cannot be acquired with the common method. To overcome this challenge, we propose a method that allows the robotic ultrasonic system to automatically self-adjust the positioning of the UT probe using a test block made of steel with defined geometric features as a target for referencing. For each of the six degrees of freedom, a scan and adjustment routine are established using the data acquired by the UT probe to update the TCP’s position and orientation in the robot control. Given a coarse pre-definition of the TCP and the known target test block, no human interaction is required while the system determines the optimum tool position and orientation. Part of this work will be used to improve and extend standards for robotic ultrasonic test systems, e.g. ISO 24647.
Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) is a layer wise metal additive manufacturing (AM) technology, which enables significant advancements of component design, leading to potential efficiency and performance improvements. However, the thermal cycles inherent to the process comprising large localized thermal gradients and repeated melting and solidification cycles leads to the generation of high magnitude residual stresses. These residual stresses can be detrimental both during manufacturing of components and in subsequent application. Therefore, a deep understanding of the influence of process parameters on the residual stresses are crucial for efficient manufacturing and safe application. The experimental characterization of these residual stresses is therefore crucial and can provide a reliable baseline for simulations of both the process and applications.
Diffraction-based methods for residual stress analysis using penetrating neutrons and high energy X-rays enable non-destructive spatially resolved characterization of both surface and bulk residual stresses. However, the unique microstructural features inherent to the process can challenge some of our assumptions when using these methods. These challenges include the determination of a stress-free reference, the use of correct elastic constants (both SCEC and DEC) and the influence of surface roughness, texture, and porosity on residual stresses.
This presentation will detail recent insights and recommendations for the characterization of residual stresses in a range of PBF-LB/M metallic alloys (Fe, Ni, Al and Ti)
The determination of residual stress in additively manufactured materials is a challenge, even after decades from the establishment of the basics of residual stress analysis. This is due to the peculiar microstructure of such materials. In fact, researchers have discovered that conventional methods for the determination of RS in materials do not properly work for AM materials. In this tutorial, the basics of RS analysis will be explained, together with the basics of AM manufacturing techniques. The microstructure of the peculiar materials (AM) dealt with here will be elucidated. Successively, the necessary modifications to the conventional approaches to RS analysis will be explained and case studies will be displayed, for the attendant to touch with hands the peculiarities of the approaches. Finally, a few experimental and theoretical tips will be given on dos and don’ts for a correct determination of RS in AM materials.
Due to the advantages of Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB), i.e., design freedom and the possibility to manufacture parts with filigree structures, and the considerable amount of knowledge available for 316L in its conventional variant, the mechanical behavior, and related microstructure-property relationships of PBF-LB/316L are increasingly subject of research. However, many aspects regarding the - application-relevant - mechanical behavior at high temperatures are not yet fully understood. Here, we present the results of an experimental study on the LCF behavior of PBF-LB/316L featuring a low defect population, which makes this study more microstructure-focused than most of the studies in the literature. The LCF tests were performed between room temperature (RT) and 600 °C. The mechanical response is characterized by strain-life curves, and hysteresis and cyclic deformation curves. The damage and deformation mechanisms are studied with X-ray computed tomography, and optical and electron microscopy. The PBF-LB/M/316L was heat treated at 450 °C for 4 h, and a hot‑rolled (HR) 316L variant with a fully recrystallized equiaxed microstructure was tested as a reference. Besides, selected investigations were performed after a subsequent heat treatment at 900 °C for 1 h. The PBF-LB/316L exhibits higher cyclic stresses than HR/316L for most of the fatigue life, especially at room temperature. At the smallest strain amplitudes, the fatigue lives of PBF-LB/M/316L are markedly shorter than in HR/316L. The main damage mechanisms are multiple cracking at slip bands (RT) and intergranular cracking (600 °C). Neither the melt pool boundaries nor the gas porosity have a significant influence on the LCF damage mechanism. The cyclic stress-strain deformation behavior of PBF-LB/M/316L features an initial hardening followed by a continuous softening. The additional heat treatment at 900 °C for 1 h led to decreased cyclic stresses, and a longer fatigue life.
The strength of age-hardenable aluminum alloys is based on the controlled formation of nm-sized precipitates, which represent obstacles to dislocation movement. Transmission electron microscopy (TEM) is generally used to identify precipitate types and orientations and to determine their size. This geometric quantification (e.g., length, diameter) is often performed by manual image analysis, which is very time consuming and sometimes poses reproducibility problems. The present work aims at the digital representation of this characterization method by proposing an automatable digital approach. Based on DF-TEM images of different precipitation states of alloy EN AW-2618A, a modularizable digital workflow is described for the quantitative analysis of precipitate dimensions. The integration of this workflow into a data pipeline concept is also presented. The semantic structuring of data allows data to be shared and reused for other applications and purposes, which enables interoperability.
The determination of residual stress in additively manufactured materials is a challenge, even after decades from the establishment of the basics of residual stress analysis. This is due to the peculiar microstructure of such materials. In fact, researchers have discovered that conventional methods for the determination of RS in materials do not properly work for AM materials. In this tutorial, the basics of RS analysis will be explained, together with the basics of AM manufacturing techniques. The microstructure of the peculiar materials (AM) dealt with here will be elucidated. Successively, the necessary modifications to the conventional approaches to RS analysis will be explained and case studies will be displayed, for the attendant to touch with hands the peculiarities of the approaches. Finally, a few experimental and theoretical tips will be given on dos and don’ts for a correct determination of RS in AM materials.
The experimental determination of residual stress becomes more complicated with increasing complexity of the structures investigated. Unlike the conventional and most of the additive manufacturing (AM) fabrication techniques, laser powder bed fusion (PBF-LB) allows the production of complex structures without any additional manufacturing step. However, due to the extremely localized melting and solidification, internal stress-induced deformation and cracks are often observed. In the best case, significant residual stress is retained in the final structures as a footprint of the internal stress during manufacturing.
Here we report solutions to the most prevalent challenges when dealing with the diffraction-based determination of residual stress in AM structures, in particular the choice of the correct diffraction elastic constants. We show that for Nickel-based alloys, the diffraction elastic constants of AM material significantly deviate from their conventional counterparts. Furthermore, measurement strategies to overcome the hurdles appearing when applying diffraction-based techniques to complex-shaped lattice structures are presented: a) proper sample alignment within the beam, b) the proper determination of the residual stress field in a representative part of the structure (i.e., with an engineering meaning). Beyond the principal stress magnitude, the principal direcions of residual stress are discussed for different geometries and scan strategies, as they are relevent for failure criteria.
We show that the RS in the lattice struts can be considered to be uniaxial and to follow the orientation of the strut, while the RS in the lattice knots is more hydrostatic. Additionally, we show that strain measurements in at least seven independent directions are necessary for the correct estimation of the principal stress directions. The measurement directions should be chosen according to the sample geometry and to an informed choice on the possible strain field (i.e., reflecting the scan strategy).
We finally show that if the most prominent direction is not measured, the error in the calculated stress magnitude increases in such a manner that no reliable assessment of RS state can be made.
The determination of residual stress in additively manufactured materials is a challenge, even after decades from the establishment of the basics of residual stress analysis. This is due to the peculiar microstructure of such materials. In fact, researchers have discovered that conventional methods for the determination of RS in materials do not properly work for AM materials. In this tutorial, the basics of RS analysis will be explained, together with the basics of AM manufacturing techniques. The microstructure of the peculiar materials (AM) dealt with here will be elucidated. Successively, the necessary modifications to the conventional approaches to RS analysis will be explained and case studies will be displayed, for the attendant to touch with hands the peculiarities of the approaches. Finally, a few experimental and theoretical tips will be given on dos and don’ts for a correct determination of RS in AM materials.
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.
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.
Various software products for the simulation of industrial X-ray radiography have been developed in recent years (e.g., aRTist 2, CIVA CT, Scorpius XLab, SimCT, Wilcore) and their application potential has been shown in numerous works. However, full systematic approaches to characterise a specific CT system for these simulation software products to obtain a truthful digital twin are still missing. In this contribution, we want to present two approaches to obtain realistic grey values in X-ray projections in aRTist 2 simulations based on measured projections. In aRTist 2, the displayed grey value of a pixel is based on the energy density incident on that pixel.
The energy density is calculated based on the X-ray tube spectrum, the attenuation between source and detector as well as an energy-dependent sensitivity curve of the detector. The first approach presented in this contribution uses the sensitivity curve as a free modelling parameter. We measured the signal response at different thicknesses of Al EN-AW6082 at different tube voltages (i.e., different tube spectra). We then regarded the grey values displayed by these projections as a data regression respectively an optimisation problem and obtained the sensitivity curve that is best able to reproduce the measured behaviour in aRTist 2. The resulting sensitivity curve does not necessarily hold physical meaning but is able to simulate the real system behaviour in the simulation software.
The second approach presented in this contribution is to estimate the sensitivity curve based on assumptions about the characteristics of the scintillation detector (e.g., scintillator material, scintillator thickness and signal processing characteristics). For this approach, a linear response function (linear relationship between the deposited energy per pixel and the resulting grey value) is assumed. If the detector characteristics, which affect the simulated deposited energy, are properly modelled, the slope and offset of the response function to match the measured grey values should be the same for different tube spectra. As the offset is constant and given by the grey values measured at no incident radiation, the slope is the remaining parameter to evaluate the success of the detector modelling. We therefore adapted the detector characteristics by changing the detector setup until the slope was nearly the same for all measured tube spectra. We are aware that the resulting parameters of the scintillator material and thickness might not be the real ones, but with those modelling parameters we are able to simulate realistic grey values in aRTist 2. Both of those approaches could potentially be a step forward to a full systematic approach for a digital twin of a real CT system in aRTist 2.
Die additive Fertigung von Metallen hat inzwischen einen Reifegrad erreicht, der einen Einsatz in vielen Industriezweigen ermöglicht oder in greifbare Nähe rückt. Die Vorteile liegen vor allem in der Möglichkeit der Fertigung komplexer Bauteile, die sich konventionell nicht oder nur sehr aufwändig produzieren lassen, sowie in der Fertigung von hochindividualisierten Bauteilen in kleinen Stückzahlen. Allerdings ist der additive Fertigungsprozess hoch komplex und fehleranfällig. Um eine insbesondere für sicherheitsrelevante Bauteile notwendige Qualitätskontrolle zu gewährleisten, ist aktuell aufwändige nachgelagerte ZfP der einzelnen Bauteile notwendig. Alternativen könnten die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung bieten, die aktuell aber noch keinen ausreichenden Entwicklungsstand erreicht haben. Industrielle Fertigungsanlagen bieten keine oder nur geringe Flexibilität und Zugänglichkeit, um umfangreiche Untersuchungen auf diesem Gebiet zu ermöglichen. Daher haben wir an der BAM ein System für den Prozess des selektiven Laserschmelzens (PBF-LB/M) entwickelt, genannt SAMMIE. Es bietet eine komplett offene Systemarchitektur mit voller Kontrolle über den Prozess und flexiblem Zugang zur Baukammer, z.B. optisch sowohl direkt als auch koaxial zum Fertigungslaser. In diesem Beitrag stellen wir das System vor und zeigen erste experimentelle Ergebnisse der In-situ-Überwachung und -prüfung: Thermografische Schmelzbadüberwachung, optische Tomografie und In-situ-Laserthermografie. SAMMIE ermöglicht uns grundlegende Untersuchungen, die helfen werden, die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung weiterzuentwickeln, neue Erkenntnisse über die additive Fertigung zu gewinnen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Prozesses zu verbessern.
For a deep process understanding of the laser powder bed fusion process (PBF-LB/M), recording of the occurring surface temperatures is of utmost interest and would help to pave the way for reliable process monitoring and quality assurance. A notable number of approaches for in-process monitoring of the PBF-LB/M process focus on the monitoring of thermal process signatures. However, due to the elaborate calibration effort and the lack of knowledge about the occurring spectral directional emissivity, only a few approaches attempt to measure real temperatures. In this study, to gain initial insights into occurring in the PBF-LB/M process, measurements on PBF-LB/M specimens and metal powder specimens were performed for higher temperatures up to T = 1290 °C by means of the emissivity measurement apparatus (EMMA) of the Center for Applied Energy Research (CAE, Wuerzburg, Germany). Also, measurements at ambient temperatures were performed with a suitable measurement setup. Two different materials—stainless steel 316L and aluminum AlSi10Mg—were examined. The investigated wavelength λ ranges from the visible range (λ-VIS = 0.40–0.75 µm) up to the infrared, λ = 20 µm. The influence of the following factors were investigated: azimuth angle φ, specimen temperature TS, surface texture as for PBF-LB/M surfaces with different scan angles α, and powder surfaces with different layer thicknesses t.
This paper explores combining a gimbal-mounted tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) sensor and a video camera to create a virtual gas camera for methane leak detection. This provides a low-to-zero-cost extension of typical TDLAS gas tomography systems. A prototype setup mounted on a ground robot is evaluated. Results acquired using a simulated methane leak show the feasibility of the virtual gas camera, accurately detecting methane leaks by overlaying concentrations onto a visual image. While the acquisition time is significantly longer than for traditional gas cameras, potential enhancements are discussed. The study concludes that the virtual gas camera is feasible and useful, despite its longer acquisition time. It serves as a valuable software-only addition to typical TDLAS gas tomography systems, offering quickly-available on-site data augmentation for visual leak assessment at low-to-zero cost.
This paper outlines significant advancements in our previously developed aerial gas tomography system, now optimized to reconstruct 2D tomographic slices of gas plumes with enhanced precision in outdoor environments. The core of our system is an aerial robot equipped with a custom-built 3-axis aerial gimbal, a Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensor for CH4 measurements, a laser rangefinder, and a wide-angle camera, combined with a state-of-the-art gas tomography algorithm. In real-world experiments, we sent the aerial robot along gate-shaped flight patterns over a semi-controlled environment with a static-like gas plume, providing a welldefined ground truth for system evaluation. The reconstructed cross-sectional 2D images closely matched the known ground truth concentration, confirming the system’s high accuracy and reliability. The demonstrated system’s capabilities open doors for potential applications in environmental monitoring and industrial safety, though further testing is planned to ascertain the system’s operational boundaries fully.
Early detection of fatigue cracks and accurate measurements of the crack growth play an important role in the maintenance and repair strategies of steel structures exposed to cyclic loads during their service life. Observation of welded connections is especially of high relevance due to their higher susceptibility to fatigue damage. The aim of this contribution was to monitor fatigue crack growth in thick welded specimens during fatigue tests as holistically as possible, by implementing multiple NDT methods simultaneously in order to record the crack initiation and propagation until the final fracture. In addition to well-known methods such as strain gauges, thermography, and ultrasound, the crack luminescence method developed at the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), which makes cracks on the surface particularly visible, was also used. For data acquisition, a first data fusion concept was developed and applied in order to synchronize the data of the different methods and to evaluate them to a large extent automatically. The resulting database can ultimately also be used to access, view, and analyze the experimental data for various NDT methods. During the conducted fatigue tests, the simultaneous measurements of the same cracking process enabled a comprehensive comparison of the methods, highlighting their individual strengths and limitations. More importantly, they showed how a synergetic combination of different NDT methods can be beneficial for implementation in large-scale fatigue testing but also in monitoring and inspection programs of in-service structures - such as the support structures of offshore wind turbines.
Es wird eine Studie zur Charakterisierung eines anisotropen Stahls vorgestellt, bei der Ultraschalluntersuchungen mit Mikrostrukturanalysen verbunden werden. Das Material weist hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf, zugleich ist mit anisotropen Eigenschaften die mechanischen und betrieblichen Eigenschaften beeinflussen zu rechnen. Vorläufige Ergebnisse lassen vermuten, dass weitere Untersuchungen notwendig sind, um die Fähigkeiten und Grenzen des Materials genau zu bestimmen. Es wird ein systematischer Ansatz mit Array- Prüfköpfen, Time-of-Flight Diffraction (TOFD) Technik und mikrostrukturellen Untersuchungen angewendet, um die Wechselwirkung zwischen Anisotropie und Mikrostruktur des Stahls zu analysieren. Ultraschallprüfungen mit der TOFD-Technik und in Tauchtechnik liefern Einblicke in das anisotrope Verhalten des Werkstoffes, einschließlich entsprechenden Kornorientierung, Dämpfung und Schallgeschwindigkeitsvariation. Diese Messungen führen in Verbindung mit mikrostrukturellen Analysen zu einem tieferen Verständnis des Materialverhaltens. Unser Hauptziel ist es, ein Framework zu erstellen, welches die Ultraschallantwort anisotroper Materialien mit ihren mikroskopischen Struktureigenschaften verbindet. Die vorgestellte Methodik ermöglicht eine zerstörungsfreie und zügige Bewertung der Materialintegrität, was besonders bei der Anwendung von Hochleistungsmaterialien relevant ist. Durch diesen integrativen Ansatz werden verschiedener Charakterisierungsmethoden kombiniert, um ein umfassenderes Materialverständnis zu erreichen.
This study explores the acceleration of material design in the concrete industry, focusing on improving carbonation resistance, a key factor in the durability of concrete structures. Traditional tests for carbonation resistance are lengthy, but with the construction industry aiming for sustainable production, finding a balance between carbonation resistance and CO2 footprint is crucial. Our research employs two innovative methods: 1. Applying the Sequential Learning App for Materials Discovery (SLAMD), an AI materials design framework, to an extensive dataset of real-world concrete compositions to selectively test materials that meet market demands: maximum durability, optimal eco-durability, and the best cost-durability trade-off. 2. Investigating 1H Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry as a quick alternative for characterizing carbonation behavior, as it saves time compared to traditional tests and assesses the complete material's pore space. Specific NMR features are then integrated into the material design model, with the model's performance compared against traditional approaches. The results of our study are compelling, demonstrating that materials can be precisely tailored to meet specific requirements with minimal data points. This marks a significant stride in the concrete industry, indicating that NMR-based, low-fidelity surrogate characterizations, combined with a focused, data-driven design approach, can substantially accelerate the development of durable, sustainable concrete mixtures.
The stress-induced tetragonal to monoclinic (t-m) zirconia phase transformation can provide a certain degree of plasticity to Ceria-stabilized (Ce-TZP) zirconia-based composites. Characterizing and monitoring this phase transition on a millimeter-size range, within the bulk and in-situ remains a challenge. In this work, the mechanical behavior of Ce-TZP based composite was studied in tension, combining microscopy and synchrotron Xray refraction techniques. In contrast with microscopy methods, which only provide surface information, X-ray refraction radiography (SXRR) allowed the visualization of all the transformation bands, over the entire length and thickness of tested specimens, opening up new avenues for in-situ stress-induced t-m transformation studies.
In this presentation, the results of the determination of the diffraction and single-crystal elastic constants of laser powder bed fused Inconel 718 are presented. The analysis is based on high-energy synchrotron diffraction experiments performed at the Deutsches Elektronen-Synchrotron. It is shown that the characteristic microstructure of laser powder bed fused Inconel 718 impacts the elastic anisotropy and therefore the diffraction and single-crystal elastic constants. Finally, the consequences on the diffraction-based residual stress determination of laser powder bed fused Inconel 718 are discussed.
Ziel des FuE-Vorhabens ist die Entwicklung, Aufbau und Validierung eines gasto-mographischen Messsystems basierend auf stationärer und mobiler Sensorik zum Emissionsmonitoring in kommunalen Kläranlagen. Die Gastomographie basiert hierbei im Wesentlichen auf, aus unterschiedlichen Sichtwinkeln aufgenommenen, integralen Konzentrationsmessungen, anhand derer eine Rekonstruktion der Gasverteilung erfolgt. Das FuE-Projekt kombiniert hierfür stationäre Sensornetzwerke mit luftgestützten und bodengebundenen Robotersystemen in einem System. Letztere werden mit Reflektoren und/oder Gasdetektoren ausgestattet. Hierfür werden Open-Path-Gasmesstechnik basierend auf Tunable Diode Laser Ab-sorption Spectroscopy (TDLAS, primär CH4 in ppm·m) und In-situ-Gassensorik (CH4, ppm) auf Basis von z.B. Infrarot eingesetzt. Dies sind zwei komplementäre Methoden der Gasmessung: Die In-situ-Gassensorik ermöglicht Punktmessungen, wohingegen TDLAS-Sensoren Gaskonzentrationen integral über offene Messstre-cken von bis zu 60 m gegen Oberflächen messen. Die In-situ-Gassensorik wird für Referenzmessungen und ggf. zur Erhöhung der Rekonstruktionsqualität zum Ein-satz kommen. Die wesentlichen Neuheiten des Projekts sind:
• 2D-Gastomographie auf Basis eines mit TDLAS-basierter Open-Path-Gasmesstechnik und Reflektoren ausgestatteten heterogenen Messsystems.
• CT-basierte Rekonstruktionsalgorithmen, adaptiert an die komplexen Rahmenbedingungen.
• Validierung des Messsystems anhand realer Messungen auf Kläranlagen.
Ultrasonic guided waves interacting with complex geometrical features are of high interest in the SHM field. For example, investigations into the extent to which a small change in defect geometry affects wave propagation have applications in Probability of Detection and defect reconstruction. These fields have to be supported by numerical tools aiming to retrieve accurate and reliable results and, thus, more realistic modeling.
Due to the short wavelengths of ultrasonic waves and the relatively large domains in which the waves propagate, fine grid resolution for the entire domain is usually not possible due to limited computational resources. One solution is to partition the domain into different subdomains and use a specific, efficient approach for each subdomain.
This contribution shows a combination of methods that aims to study these wave defect interactions in an elastic media. Firstly we introduce high-order 3D meshes that can resolve very fine geometrical details and are based on an Octree discretisation technique that employs special transition shape functions to resolve the hanging nodes that may appear due to the nature of the method. Afterward, the Octree mesh is embedded in a prismatic wave-guide based on the semi-analytical formulation of the SBFEM in 3D. To couple the different domains, we employ the mortar method, which enforces the continuity of the wave field across the internal boundaries of the domains. Examples show the power of the approach especially when it comes to parametric analysis.
For structural health monitoring systems or non-destructive testing, it is crucial to study the interactions of ultrasonic-guided waves with inhomogeneities or damage in structural components. Simulation of these interactions poses a challenge.
After the wave-damage interaction, the numerical model must reproduce features like mode conversion or wave scattering. Mathematically, damages are discontinuities in a computational domain, and each interacts diversely depending on its geometrical features. We propose a quadtree-based meshing in the current contribution to capture these geometrical
characteristics.
This kind of discretisation approach requires special techniques to couple cells of different sizes since, after a quadtree decomposition, the problem of so-called hanging nodes may arise. Transition elements based on high-order transfinite shape functions are used to solve this issue. The advantage is that these elements allow the correct coupling of the cells while retaining a high-order interpolation. Moreover, the reuse of the dynamic stiffness matrices can be exploited based on the similarity of the cells. This procedure renders the approach very efficient.
Examples show the scattering characteristics of different guided wave modes after interacting with inhomogeneities and discontinuities in a plate.
AbstractIn this study, we compare the residual stress state in a laser powder bed fusion (PBF‐LB/M) AlSi10Mg alloy in the as‐built (AB) condition with that after two different heat treatments (265 °C for 1 h, HT1; and 300 °C for 2 h, HT2). The bulk residual stress (RS) is determined using synchrotron X‐ray diffraction (SXRD), and near‐surface profiles are determined using laboratory energy‐dispersive X‐ray diffraction (EDXRD). The EDXRD results do not reveal any notable difference between the conditions at a depth of 350 μm, suggesting that the machining process yields a comparable residual stress state in the near‐surface regions. On the other hand, the SXRD results show that HT1 is more effective in relieving the bulk RS. It is observed that HT1 reduces the RS state in both the aluminium matrix and the silicon network. In addtion, HT2 does not have a significant impact on relaxing the RS as‐built state of the matrix, although it does induce a reduction in the RS magnitudes of the Si phase. It is concluded that the heat treatment stress relieving is effective as long as the Si‐network is not disaggregated.
A new titanium alloy improving the operation of implants additively manufactured and including laterally closed lattice structures is proposed. The new alloy possesses an increased affinity to the bone. The measured bone–interface implant (BII) of less than 10 mm and bone–implant contact (BIC) of 95% demonstrated an excellent osseointegration. Furthermore, since additive manufacturing naturally leads to a high-roughness surface finish, the wettability of the implant is increased. The combination of these factors is pushing ossification beyond its natural limits. In addition, the quality and speed of the ossification and osseointegration in/around laterally closed lattice implants open the possibility of bone spline key of prostheses. This enables the stabilization of the implant into the bone while keeping the possibility of punctual hooks allowing the implant to be removed more easily if required.
The overview of the activity of Federal Institute for Material Research and Testing (BAM, Belin, Germany) in the field material characterization by X-ray imaging is presented. The principle of X-ray Computed Tomography (XCT) is explained. The multiple examples of application of quantitative analysis by XCT are reported, such as additive manufacturing, Li-ion battery, concrete research.
Bei der zerstörungsfreien Prüfung verlegter Eisenbahnschienen werden die Rohdaten derzeit in proprietären Datenformaten gespeichert und auf Datenträgern zwischen den Prüfzügen und den auswertenden Stellen versendet. Die proprietären Datenformate sind in der Regel nur den Herstellern der Prüfsysteme bekannt und deren Dokumentation nicht allgemein zugänglich.
Das Forschungsprojekt „Artificial Intelligence for Rail Inspection“ (AIFRI) erfordert den Austausch von Prüfdaten in einem offenen Format sowohl zwischen den Projektpartnern als auch die Veröffentlichung anonymisierter Daten ausgewählter Strecken aus dem Offenen Digitalen Testfeld (ODT). Wir haben uns in dem Projekt für die Verwendung der „Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation“ (DICONDE) entschieden. DICONDE basiert auf dem medizinischen Standard „Digital Imaging and Communication in Medicine“ (DICOM) und wurde von ASTM an die ZfP angepasst. DICOM bzw. DICONDE ist nicht nur ein Datenformat, sondern beinhaltet auch Kommunikationsschnittstellen für die Auftragsvergabe, Datenübertragung und Abfrage gespeicherter Datensätze aus einem Archiv.
In dem Vortrag werden DICOM und DICONDE vorgestellt, sowie die Verwendung von DICONDE für die Schienenprüfung im Projekt AIFRI näher erläutert. Es wird gezeigt, wie sich Prüfdaten, Prüfparameter, Streckeninformationen incl. Kilometertafeln und Geokoordinaten und Befunde in DICONDE kodieren lassen.
Die Wirbelstromprüfung ist ein bewährtes Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung elektrisch leitfähiger Objekte im oberflächennahen Bereich. Nach einer Einführung in die Wirkungsweise, Möglichkeiten und Grenzen des Wirbelstromprüfverfahrens wird am Beispiel des Schreins der Heiligen Drei Könige gezeigt, wie sich mit dem Wirbelstromprüfverfahren unterschiedliche Metalllegierungen unter einer Vergoldung zerstörungsfrei identifizieren lassen.
Der Schrein der Heiligen Drei Könige wurde um das Jahr 1200 von Nikolaus von Verdun erschaffen, ca. 1750 von Johann Rohr und 1807 von Wilhelm Pollack restauriert. Die Restaurierungsarbeiten wurden jedoch nur unvollständig dokumentiert. Es ist bekannt, dass zu den unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Metalllegierungen als Grundmaterial unter der Vergoldung verwendet wurden. Mit Hilfe von Vergleichsproben aus einer Sammlung der Kölner Dombauverwaltung ließen sich die Akanthus-Prägungen des Schreins den verschiedenen Restaurierungen zuordnen.
Currently, mandatory requirements and recommendations for the detection of irregularities in laser beam welded joints are based on classic micrographs as set out in the standard ISO 13919-1:2019. Compared to classic micrographs, computed tomography enables a non-destructive, three-dimensional and material-independent mode of operation, which delivers much more profound results. Even in building material testing, methods with limited informative value can be checked and supplemented by CT examinations.
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.
Laser powder bed fusion of metallic components (PBF-LB/M) is gaining acceptance in industry. However, the high costs and lengthy qualification processes required for printed components create the need for more effective in-situ monitoring and testing methods. This article proposes multispectral Optical Tomography (OT) as a new approach for monitoring the PBF-LB/M process. Compared to other methods, OT is a low-cost process monitoring method that uses long-time exposure imaging to observe the build process. However, it lacks time resolution compared to expensive thermographic sensor systems. Monochromatic OT (1C-OT) is already commercially available and observes the building process layer-wise using a single wavelength window in the NIR range. Multispectral OT (nC-OT) utilizes a similar setup but can measure multiple wavelength ranges per location simultaneously. By comparing the classical 1C-OT and nC-OT approaches, this article examines the advantages of nC-OT (two channel OT and RGB-OT) in reducing the false positive rate for process deviations and approximating maximum temperatures for a better comparison between different build processes and materials. This could ultimately reduce costs and time for part qualification. The main goal of this contribution is to assess the advantages of nC-OT compared to 1C-OT for in-situ process monitoring of PBF-LB/M.
To evaluate the durability of new alternative cement compositions, it is important to examine the internal transport of moisture through these materials. For this purpose, mortars were prepared from different types of cement and capillary suction experiments were carried out. The moisture transport was studied with an NMR tomograph and compared with weight easurements. With the tomograph, the total moisture input could be determined, as well as the moisture content within the samples non-destructively and spatially resolved. This allows precise observation of the moisture fronts. The tomograph was also used to determine the capillary transport
coefficient.
The European Commission has identified Advanced Manufacturing and Advanced Materials as two of six Key Enabling Technologies (KETs). It is considered that Metrology is a key enabler for the advancement of these KETs. Consequently, EURAMET, the association of metrology institutes in Europe, has strengthened the role of Metrology for these KETs by enabling the creation of a European Metrology Network (EMN) for Advanced Manufacturing. The EMN is comprised of National Metrology Institutes (NMIs) and Designated Institutes (DIs) from across Europe and was formally established in October 2021. The aim of the EMN is to provide a high-level coordination of European metrology activities for the Advanced Manufacturing community.
The EMN itself is organized in three sections representing the major stages of the manufacturing chain: 1) Advanced Materials, 2) Smart Manufacturing Systems, and 3) Manufactured Components & Products. The EMN for Advanced Manufacturing is engaging with stakeholders in the field of Advanced Manufacturing (large companies & SMEs, industry organisations, existing networks, and academia), as well as the wider Metrology community, including Technical Committees, to provide input for the Strategic Research Agenda (SRA) on Metrology for Advanced Manufacturing.
This contribution will give an overview about the first version of the SRA prepared by the EMN for Advanced Manufacturing
Laser powder bed fusion is one of the most promising additive manufacturing techniques for printing complex-shaped metal components. However, the formation of subsurface porosity poses a significant risk to the service lifetime of the printed parts. In-situ monitoring offers the possibility to detect porosity already during manufacturing. Thereby, process feedback control or a manual process interruption to cut financial losses is enabled.
Short-wave infrared thermography can monitor the thermal history of manufactured parts which is closely connected to the probability of porosity formation. Artificial intelligence methods are increasingly used for porosity prediction from the obtained large amounts of complex monitoring data. In this study, we aim to identify the potential and the challenges of deep-learning-assisted porosity prediction based on thermographic in-situ monitoring.
Therefore, the porosity prediction task is studied in detail using an exemplary dataset from the manufacturing of two Haynes282 cuboid components. Our trained 1D convolutional neural network model shows high performance (R2 score of 0.90) for the prediction of local porosity in discrete sub-volumes with dimensions of (700 x 700 x 40) μm³.
It could be demonstrated that the regressor correctly predicts layer-wise porosity changes but presumably has limited capability to predict differences in local porosity. Furthermore, there is a need to study the significance of the used thermogram feature inputs to streamline the model and to adjust the monitoring hardware. Moreover, we identified multiple sources of data uncertainty resulting from the in-situ monitoring setup, the registration with the ground truth X-ray-computed tomography data and the used pre-processing workflow that might influence the model’s performance detrimentally.