Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Laser welding is an appropriate technique for joining Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) parts together and to conventional wrought ones. The potential consists of profiting from synergies between additive and conventional manufacturing methods and overcoming the existing limitations of both. On the one hand, L-PBF is a widely spread metal-based additive manufacturing technique suitable for generating complex parts which can present intrinsic designed cavities, conformal cooling channels, and filigree structures contributing to sustainable manufacturing and efficiency-oriented designs. On the other hand, chamber sizes for producing L-PBF parts are limited, and the process is time-consuming. Thus, its employment is not for every geometry justified. Additionally, they are in most cases individual elements of a larger assembly and need to be joined together to conventionally fabricated parts.
The present research suggests laser welding parameters to adequately bond pairs of wrought and L-PBF processed plates and two L-PBF plates of Inconel 718 in butt position. L-PBF samples are printed in three different build-up orientations. Additionally, the influence of as-built L-PBF roughness qualities and usual pre-weld preparations such as edge milling are examined. The effect of normed pre-weld heat treatments is also contemplated. Identified cracks are analyzed by means of EDS in order to confirm the present phases on the areas of interest. EBSD is also employed to obtain a clear depiction of the crystallographic texture and distribution of the hot cracks.
The quality of the weldment was examined according to existing standards. Substantial differences in seam geometry and microstructure across different edge’s surface qualities and build directions of stress relieved L-PBF parts have not been detected. Nevertheless, even if no other irregularities are present in the seam, variability in liquation cracking susceptibility has been confirmed. This defect is prone to happen when parts made of this nickel-based superalloy are welded together when not enough precautions are taken. It has been determined that grain size and ductility of the material before welding play a crucial role and mitigating or intensifying these imperfections. Moreover, recommendations are presented to avoid this potential welding defect.
Für die Prozessüberwachung in der additiven Fertigung (AM) werden Sensoren und Messsysteme zur Kontrolle der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete praktische Umsetzungen.
Ein neues Projekt der BAM im Themenfeld Material hat daher das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen zu entwickeln. Dies beinhaltet neben passiver und aktiver Thermografie die optische Tomografie, die optische Emissionsspektroskopie, die Wirbelstromprüfung, die Laminografie, die Röntgenrückstreuung und photoakustische Verfahren. Diese Verfahren werden in verschiedenen AM-Systemen zum selektiven Laserschmelzen, zum Laser-Pulver-Auftragsschweißen und zum Lichtbogenschweißen mit Drahtzuführung zum Einsatz gebracht. Für die zum Teil sehr großen Datenmengen werden Algorithmen für ein effizientes Preprocessing entwickelt und Merkmale der Messdaten in Korrelation zu Fehlern und Inhomogenitäten extrahiert, welche mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik ermittelt werden. Die Ergebnisse der Einzelverfahren werden fusioniert und mit den Fertigungsparametern korreliert. Diese Prozessüberwachung soll eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion bewirken.
Im Beitrag wird zunächst das Projekt als Ganzes vorgestellt und dann der Fokus auf die Thermografie mit Detektoren in verschiedenen Wellenlängenbereichen gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und experimentelle Ergebnisse im Vergleich zur optischen Tomografie und weiterer Verfahren präsentiert.
This talk presents a new application for high-spatial resolution eddy current testing (ET) with magneto resistive (MR) sensor arrays. With rising popularity and availability of additive manufacturing (AM), companies mainly in the aerospace sector, set high requirements on quality control of AM parts, especially produced with selective laser melting (SLM). Since it was shown that those parts are prawn to flaws like pores or cracks, every part needs to be tested. Therefore, NDT Methods, like ET, could help to characterize SLM parts. Research on ET has shown, that offline ET with high spatial resolution MR sensor arrays is possible and that flaws as small as 50 µm could be detected while significantly reducing testing time. In this talk a first approach on automated online ET method for testing SLM parts is proposed. An approach with hundreds of MR sensor is made to maintain spatial resolution and short testing times. Classic signal conditioning methods are used to reduce cost and complexity while maintaining high testing bandwidths. The proposed idea enables further research on automated generation of testing reports, process control or automated flaw curing.
Additive Fertigung hat in den letzten Jahren aufgrund der hohen Flexibilität stark an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik werden hohe Anforderungen an die Qualitätskontrolle additiv gefertigter Bauteile gestellt. Teile die mit dem selektiven Laserschmelzen (SLM) hergestellt werden, bilden schon währen des Fertigungsprozesses Poren oder Risse aus. Aus diesem Grund ist die zerstörungsfreie Prüfung jedes Bauteils notwendig. Erste Versuche haben gezeigt, dass die ex-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen mit hochauflösenden MR Sonden möglich ist und dass Fehler im Bereich von einiger µm detektiert werden können. In dem Vortrag wird eine automatisierte in-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen vorgestellt. Für die Prüfung wird eine Vielzahl hochauflösender MR Sensoren verwendet, um die benötige hohe Ortsauflösung bei gleichzeitig kurzer Prüfzeit zu erreichen. Zusätzlich werden klassische Methoden der Signalverarbeitung verwendet, um die Kosten und die Komplexität des Systems trotz hoher Prüffrequenz zu minimieren. Das vorgestellte System kann in der Zukunft helfen automatisiert Prüfberichte zu generieren, den SLM-Prozess zu kontrollieren oder automatisiert Fehlstellen auszuheilen.
Additive Fertigung hat in den letzten Jahren aufgrund der hohen Flexibilität stark an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik werden hohe Anforderungen an die Qualitätskontrolle additiv gefertigter Bauteile gestellt. Teile die mit dem selektiven Laserschmelzen (SLM) hergestellt werden, bilden schon währen des Fertigungsprozesses Poren oder Risse aus. Aus diesem Grund ist die zerstörungsfreie Prüfung jedes Bauteils notwendig. Erste Versuche haben gezeigt, dass die ex-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen mit hochauflösenden MR Sonden möglich ist und dass Fehler im Bereich von einiger µm detektiert werden können. In dem Vortrag wird eine automatisierte in-situ Wirbelstromprüfung von SLM-Bauteilen vorgestellt. Für die Prüfung wird eine Vielzahl hochauflösender MR Sensoren verwendet, um die benötige hohe Ortsauflösung bei gleichzeitig kurzer Prüfzeit zu erreichen. Zusätzlich werden klassische Methoden der Signalverarbeitung verwendet, um die Kosten und die Komplexität des Systems trotz hoher Prüffrequenz zu minimieren. Das vorgestellte System kann in der Zukunft helfen automatisiert Prüfberichte zu generieren, den SLM-Prozess zu kontrollieren oder automatisiert Fehlstellen auszuheilen.
In powder-based Additive Manufacturing (AM) processes, an object is produced by successively depositing thin layers of a powder material and by inscribing the cross section of the object in each layer. The main methods to inscribe a layer are by binder jetting (also known as powder 3D printing) or by selective laser sintering/melting (SLS/SLM).
Powder-based AM processes have found wide application for several metallic, polymeric and also ceramic materials, due to their advantages in combining flexibility, easy upscaling and (often) good material properties of their products.
The deposition of homogeneous layers is key to the reproducibility of these processes and has a direct influence on the quality of the final parts. Accordingly, powder properties such as particle size distribution, shape, roughness and process related properties such as powder flowability and packing density need to be carefully evaluated.
Due to these requirements, these processes have been so far precluded to find commercial use for certain applications. In the following, two outstanding cases will be presented.
A first example is that powder-based AM processes are widely used for many metallic and polymeric materials, but they find no commercial application for most technical ceramics.
This seemingly contradicting observation is explained by the fact that in powder based AM, a dry flowable powder needs to be used. The processing of technical ceramics in fact typically requires very fine and poorly flowable powder, which makes them not suitable for the standard processes. There have been several approaches to adapt the raw materials to the process (e.g. by granulation), but in order to maintain the superior properties of technical ceramics it seems necessary to follow the opposite approach and adapt the process to the raw materials instead.
This was the motivation for developing the Layerwise Slurry Deposition (LSD), an innovative process for the deposition of powder layers with a high packing density. In the LSD process, a ceramic slurry is deposited to form thin powder layers, rather than using a dry powder. This allows achieving high packing density (55-60%) in the layers after drying. It is also important, that standard ceramic raw materials can be used. When coupled with a printing head or with a laser source, the LSD enables novel AM technologies which are similar to 3D printing or selective laser sintering, but taking advantage of having a highly dense powder bed.
The LSD -3D printing, in particular, offers the potential of producing large (> 100 mm) and high quality ceramic parts, with microstructure and properties similar to traditional processing. Moreover, due to the compact powder bed, no support structures are required for fixation of the part in the printing process.
Figure 1 shows the schematics of the working principle of the LSD-3D print and illustrates some examples of the resolution and features achievable.
The second outstanding case here described is the application of powder-based AM in environments with reduced or zero gravity. The vision is to be able to produce repair parts, tools and other objects during a space mission, such as on the International Space Station (ISS), without the need of delivering such parts from Earth or carrying them during the mission. AM technologies are also envisioned to play an important role even for future missions to bring mankind to colonize other planets, be it on Mars or on the Moon. In this situation, reduced gravity is also experienced (the gravitational acceleration is 0.16 g on the Moon and 0.38 g on Mars).
These environments cause the use of AM powder technologies to be very problematic: the powder layers need to be stabilized in order to avoid dispersion of the particles in the chamber. This is impossible for standard AM powder deposition systems, which rely on gravitation to spread the powder.
Also in this case, an innovative approach has been implemented to face this technological challenge. The application of a gas flow through a powder has a very strong effect on its flowability, by generating a force on each particle, which is following the gas flow field. This principle can be applied in a simple setup such as the one shown in Figure 2.
In this setup, the gas flow causes an average pressure on the powder bed in direction of the arrows, generating a stabilizing effect which acts in the same direction of the gravitational force. This effect can be used in addition to normal gravity on Earth to achieve a better stabilization of 3D printed parts in the powder bed. In this case, even a significant increase of packing density of the powder was measured, compared to the same experimental setup without gas flow. This is due to the fact that the force on each single particle follows the gas flow field, which is guiding the particles to settle between the pores of the powder bed, thus achieving an efficient packing.
The same principle can be applied in absence of gravitation, where the gas flow acts to stabilize the powder layers. It has been shown that ceramic powder could be deposited in layers and laser sintered in µ-gravity conditions during a DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) campaign of parabolic flights, as shown in Figure 2. A follow-up campaign is dedicated to the deposition of metallic (stainless steel) powder in inert atmosphere and to study the effects of laser melting in µ-gravity.
In conclusion, the description of these two example cases shows how the development of novel technological processes can address some of the limitations of standard powder-based AM, in order to enable the use of new materials, such as technical ceramics, or to tackle the challenges of AM in space.
The influence of the support structure on residual stress and distortion in SLM Inconel 718 parts
(2018)
The effect of support structure and of removal from the base plate on the residual stress state in selective laser melted IN718 parts was studied by means of synchrotron X-ray diffraction. The residual stresses in subsurface region of two elongated prisms in as-built condition and after removal from the base plate were determined. One sample was directly built on a base plate and another one on a support structure. Also, the distortion on the top surface due to stress release was measured by contact profilometry. High tensile residual stress values were found, with pronounced stress gradient along the hatching direction. In the sample on support, stress redistribution took place after removal from the base plate, as opposed to simple stress relaxation for the sample without support. The sample on support structure showed larger distortion compared to sample without support. We conclude that the use of a support decreases stress values but stress-relieving heat treatments are still needed.
Influence of deposition hatch length on residual stress in selective laser melted Inconel 718
(2018)
The present study aims to evaluate the bulk residual stresses in SLM parts by using neutron diffraction measurements performed at E3 line -BER II neutron reactor- of Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin. Together with microstructure characterization and distortion measurements, it is possible to describe the stress state throughout the whole sample. The sample was measured in as-build condition (on a build plate) and after releasing from the build plate. The used material is the nickel based superalloy 718. This alloy is widely used in aerospace and chemical industries due to its superior corrosion and heat resistant properties.
Obtained results indicated different residual stress states for each of the transversal, longitudinal and normal component. The normal and transversal component exhibits a rather compressive behavior while the longitudinal was tensile in the center part of the sample and became compressive towards the tip. As expected, the absolute values of all stress components decreased after releasing the sample from the building plate. A surface scan utilizing a coordinate-measuring machine (CMM) allowed us to present top surface distortion before and after releasing. The top surface showed a distortion around ±80µm after releasing. Microstructure evolution in the scanning-building cross-section is largely dominated by columnar grains. In addition, many small random orientated grains are prominent in the regions of a laser overlap during SLM.
In summary, for the sample of superalloy 718 manufactured by SLM, a small distortion occurred when removing the sample from the build plate whereby the residual stress state decreases. Moreover, the observed columnar grains in the building direction could give a reason for the lowest stress values in that normal direction. However, the most important parameter controlling the residual stresses is the temperature gradient. Hence, future investigations are planned for a different scan strategy to distribute the laser impact in a more homogenous manner.
Additive Manufacturing (AM) enables the unique capability of building highly complex parts with integrated functional design. One particular advantageous design feature is known as lattice structures, which provide opportunities for innovative applications in the high-temperature regime of gas turbines. Generally, manufacturing of these structures is already known to be achievable with AM, however proof of structural integrity and geometrical accuracy is not yet reliably established.
In this investigation, a systematic design-follows-complexity approach is utilized to pursue a holistic assessment of Ni based high temperature lattice. As the major element of lattice structures, single struts of different build orientations are investigated at first. This approach includes the application of Computed Tomography (CT), which allows for a non destructive assessment of quality criteria such as porosity and inner geometries as well as the parts’ metrology at a micrometre scale. The applied laboratory CT benefits from high magnification factors around 100 and voxel sizes down to a thousandth of the specimens’ diameter.
Preliminary results show a correlation between the inclination angle and the struts’ quality, which indicate a dependency of geometrical accuracy and structural properties to the AM process setup. Consequently, lattice structures require the development of reliable manufacturing to produce dependable characteristics.
While there is large potential for use of lattice structures in gas turbine and high temperature applications, the results indicate the strong need for an increased understanding of manufacturing and design as well as of the validation methods for these complex lattice structures.
Influence of deposition hatch length on residual stress in selective laser melted Inconel 718
(2017)
Additive Manufacturing (AM) by Selective Laser Melting (SLM) offers ample scope for producing geometrically complex parts in comparison to the traditional subtractive manufacturing strategies. Developing during the manufacturing process, residual stresses may limit the application of SLM parts by reducing the load bearing capacity as well as induce unwanted distortion depending on the boundary conditions specified in manufacturing.
The present study aims to evaluate the bulk residual stresses in SLM parts by using neutron diffraction measurements performed at E3 line -BER II neutron reactor- of Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin. Together with microstructure characterization and distortion measurements, it is possible to describe the stress state throughout the whole sample. The sample was measured in as-build condition (on a build plate) and after releasing from the build plate. The used material is the nickel based superalloy 718. This alloy is widely used in aerospace and chemical industries due to its superior corrosion and heat resistant properties.
Obtained results indicated different residual stress states for each of the transversal, longitudinal and normal component. The normal and transversal component exhibits a rather compressive behavior while the longitudinal was tensile in the center part of the sample and became compressive towards the tip. As expected, the absolute values of all stress components decreased after releasing the sample from the building plate. A surface scan utilizing a coordinate-measuring machine (CMM) allowed us to present top surface distortion before and after releasing. The top surface showed a distortion around ±80µm after releasing. Microstructure evolution in the scanning-building cross-section is largely dominated by columnar grains. In addition, many small random orientated grains are prominent in the regions of a laser overlap during SLM.
In summary, for the sample of superalloy 718 manufactured by SLM, a small distortion occurred when removing the sample from the build plate whereby the residual stress state decreases. Moreover, the observed columnar grains in the building direction could give a reason for the lowest stress values in that normal direction. However, the most important parameter controlling the residual stresses is the temperature gradient. Hence, future investigations are planned for a different scan strategy to distribute the laser impact in a more homogenous manner.
Die Schicht-für-Schicht additive Fertigung (AM) in Form des selektiven Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelzens (SLM und EBM) bietet einerseits Vorteile bezüglich des Probendesigns, andererseits sind strukturelle Abweichungen von der nominellen Morphologie unvermeidbar. Beispielsweise führt das Abkühlen des fertigen Bauteils zu verringerten Abmessungen und angeschmolzene Pulverpartikel sorgen für unregelmäßige Oberflächen mit nicht vernachlässigbaren Rauigkeiten.
Im Fokus dieser Arbeit steht die computertomographische (CT) Untersuchung von IN625 Pulver und den daraus SLM-gefertigten Streben, Einheitszellen und Gitterstrukturen.
Mit Hilfe von Synchrotron – CT konnte das IN625 Pulver mit einer Voxelgröße von 0,5µm untersucht werden. Für die Untersuchung der daraus gefertigten verschiedenen Probengemetrien wurde Labor CT genutzt.
6 mm lange Streben variierten im Aufbauwinkel von 40° bis 90°. Der Unterschied zwischen Unter- und Oberseite während der Fertigung wird sowohl bei Porenverteilung als auch bei der Oberflächenrauigkeit deutlich. Ein Vergleich der Strebenabmessungen für die nominalen Durchmesser von 0,5 mm bis 3 mm zwischen CT and GOM zeigte keine signifikanten Differenzen.
Vier dieser Streben wurden zu einer bbc Einheitszelle zusammengefügt, welche sich wiederum zu den Gitterstrukturen ergänzen.
An einem Gitterwürfel (3x3x3 Einheitszellen) wurden In-Situ (Druck) CT bis 5kN durchgeführt. Mit einer Kraft von etwa 3kN erreichen wir den plastischen Bereich und beobachten zudem Strebenverzug.
Außerdem wurde ein Vergleich zu den CAD-Files wurde genutzt um einen möglichen Verzug während der Fertigung beurteilen zu können. Dafür wurden 4x4x4 cm³ Gitterstrukturen gebaut und evaluiert.
Mit diesen CT Messungen bestätigen wir eine signifikante Schrumpfung, die Bereits während der Fertigung berücksichtigt werden muss.
Die Schicht-für-Schicht additive Fertigung (AM) in Form des selektiven Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelzens (SLM und EBM) bietet einerseits Vorteile bezüglich des Probendesigns, andererseits sind strukturelle Abweichungen von der nominellen Morphologie unvermeidbar. Beispielsweise führt das Abkühlen des fertigen Bauteils zu verringerten Abmessungen und angeschmolzene Pulverpartikel sorgen für unregelmäßige Oberflächen mit nicht vernachlässigbaren Rauigkeiten.
Im Fokus dieser Arbeit steht die computertomographische (CT) Untersuchung von IN625 Pulver und den daraus SLM-gefertigten Streben, Einheitszellen und Gitterstrukturen.
Mit Hilfe von Synchrotron – CT konnte das IN625 Pulver mit einer Voxelgröße von 0,5µm untersucht werden. Für die Untersuchung der daraus gefertigten verschiedenen Probengemetrien wurde Labor CT genutzt.
6 mm lange Streben variierten im Aufbauwinkel von 40° bis 90°. Der Unterschied zwischen Unter- und Oberseite während der Fertigung wird sowohl bei Porenverteilung als auch bei der Oberflächenrauigkeit deutlich. Ein Vergleich der Strebenabmessungen für die nominalen Durchmesser von 0,5 mm bis 3 mm zwischen CT and GOM zeigte keine signifikanten Differenzen.
Vier dieser Streben wurden zu einer bbc Einheitszelle zusammengefügt, welche sich wiederum zu den Gitterstrukturen ergänzen.
An einem Gitterwürfel (3x3x3 Einheitszellen) wurden In-Situ (Druck) CT bis 5kN durchgeführt. Mit einer Kraft von etwa 3kN erreichen wir den plastischen Bereich und beobachten zudem Strebenverzug.
Außerdem wurde ein Vergleich zu den CAD-Files wurde genutzt um einen möglichen Verzug während der Fertigung beurteilen zu können. Dafür wurden 4x4x4 cm³ Gitterstrukturen gebaut und evaluiert.
Mit diesen CT Messungen bestätigen wir eine signifikante Schrumpfung, die Bereits während der Fertigung berücksichtigt werden muss.