Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Das Master Curve (MC) Konzept nach ASTM E1921 wird momentan u.a. in der Kerntechnik für die bruchmechanische Sicherheitsbewertung ferritischer Stähle eingesetzt.
Für ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) fehlt jedoch eine Validierung dieser Methode und ggf. eine systematische Überprüfung möglicher Modifikationen grundlegender Ansätze des MC-Konzepts. Aus diesem Grund soll in einem kürzlich gestarteten BMUV-Verbundprojekt zwischen der MPA Stuttgart und der BAM Berlin die Anwendbarkeit des MC-Konzepts auf GJS bei dynamischer Beanspruchung untersucht werden. Ziel ist es, eine effektive und effiziente Methodik bereitzustellen, mit der mittels einer vergleichsweise kleinen Stichprobe bruchmechanischer Kleinproben eine Referenztemperatur T0 zur werkstoffspezifischen Temperaturjustierung der MC ermittelt werden kann.
Das Master Curve (MC) Konzept nach ASTM E1921 wird momentan u.a. in der Kerntechnik für die bruchmechanische Sicherheitsbewertung ferritischer Stähle eingesetzt. Für ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS) fehlt jedoch eine Validierung dieser Methode und ggf. eine systematische Überprüfung möglicher Modifikationen grundlegender Ansätze des MC-Konzepts. Aus diesem Grund soll in einem kürzlich gestarteten BMUV-Verbundprojekt zwischen der MPA Stuttgart und der BAM Berlin die Anwendbarkeit des MC-Konzepts auf GJS bei dynamischer Beanspruchung untersucht werden. Ziel ist es, eine effektive und effiziente Methodik bereitzustellen, mit der mittels einer vergleichsweise kleinen Stichprobe bruchmechanischer Kleinproben eine Referenztemperatur T0 zur werkstoffspezifischen Temperaturjustierung der MC ermittelt werden kann.
Als Beispiel für moderne Produktion ist die additive Fertigung (ugs. „3D-Druck“) bei der Herstellung von hochkomplexen metallischen Bauteilen, bionisch inspiriertem Leichtbau oder Prototypen nicht mehr wegzudenken. Die Qualitätssicherung (QS) von Bauteilen für sicherheitskritische Anwendungen stellt jedoch noch eine Herausforderung dar. Die Additive Fertigung (AM) ist ein vergleichsweise junges und datenintensives Fertigungsverfahren. Daher ist es ideal geeignet, die neuen Werkzeuge einer digitalen Qualitätsinfrastruktur (QI) für die moderne Produktion zu erproben und weiterzuentwickeln.
Was Sie schon immer über Chunky-Graphit wissen w(s)ollten, aber bisher nicht zu fragen wagten
(2023)
Duktile Gusseisenwerkstoffe mit Kugelgraphit (GJS) haben ein erhebliches technisches Potenzial und sind von wirtschaftlicher Bedeutung. Nicht zuletzt daher ist es ökonomisch sinnvoll, gesellschaftlich nachhaltig und wissenschaftlich interessant, ihren Herstellungsprozess zu optimieren. Eine maßgebliche Rolle kommt hierbei der Vermeidung von Qualitätsabweichungen in Form von Gefügefehlern zu. Dieser Beitrag befasst sich mit der – leider vielfach nicht richtig oder zu wenig verstandenen, aber insbesondere bei kostenintensi-ven dickwandigen Gussteilen relevanten - Graphitentartung Chunky-Graphit (CG).
Die metallurgischen Ursachen von CG werden noch immer kontrovers diskutiert. Eine allgemein akzeptierte Theorie zur Bildung und dem Wachstumsmechanismus von CG existiert nicht, in der Gießereipraxis wird gleichwohl eine Fülle spezifischer technologischer Abhilfemaßnahmen praktiziert [1].
Der Schwerpunkt dieses Beitrages liegt jedoch nicht auf der metallurgischen Seite, sondern auf der Beschrei-bung der spezifischen Morphologie von CG (Bild 1), dessen Detektion im Werkstoff bzw. Bauteil sowie den Auswirkungen von CG auf die Werkstoffeigenschaften. Detailliert werden Möglichkeiten und Grenzen zer-störungsfreier und zerstörender Untersuchungsverfahren zur Identifikation und Quantifizierung von CG aufgezeigt. Ausgehend von der charakteristischen Morphologie von CG wird dessen Einfluss auf das Ver-formungs- und Bruchverhalten von GJS behandelt. Beispielhaft werden dabei die Eigenschaften Festigkeit, Verformbarkeit, das Risswachstumsverhalten und die Bruchzähigkeit diskutiert und Schlussfolgerungen für die Bewertung von mit CG behafteten GJS-Bauteilen abgeleitet.
Überblick über die derzeitig wichtigsten additiven Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe in der Industrie (PBF, DED, BJT) und Berücksichtigung der wesentlichen Prozessmerkmale und Nachbearbeitungsschritte. Vorstellung der wichtigsten Defektphänomene und Nennung von Ursachen und Abhilfemaßnahmen.
Die Entwicklung einer digitalen QI ermöglicht die objektive Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung und macht die Technologie gerade auch für kleine und mittelständische Unternehmen besser nutzbar. Sie wird vollwertig im Rahmen des Qualitätsanspruchs „Made in Germany“ einsetzbar – gerade auch beim Umbruch in Industriezweigen. Der Vortrag gibt Einblicke in aktuelle Arbeiten und die Ziele des Use Case Additive Fertigung.
Die neue Generation von bainitischen Schmiedestählen bietet auf der einen Seite ein erhebliches Festigkeitspotenzial, das es im Sinne des Leichtbaus auch für zyklisch belastete Sicherheitsbauteile zu heben gilt. Auf der anderen Seite geht mit dieser Festigkeitssteigerung im Vergleich zu Vergütungsstählen ein Verlust an Duktilität und Zähigkeit einher. Am Beispiel des Demonstratorbauteils Achsschenkel ging das Forschungsvorhaben der Frage nach, wie ein Freigabeprozess zu gestalten ist, damit das Festigkeitspotenzial der neuen Stähle zuverlässig ausgenutzt werden kann. Als Ergebnis wird eine Vorgehensweise dargestellt, die den Eigenschaften der neuen Generation von Schmiedestählen Rechnung trägt, um den sicheren Betrieb der Komponenten zu gewährleisten.
Der Vortrag stellt die Arbeiten der BAM in der Initiative QI-Digital vor, in deren Rahmen Lösungen für eine moderne und digitale Qualitätsinfrastruktur entwickelt werden. Schwerpunkt liegt auf dem zentralen Werkzeug Quality-X sowie dem Pilotprojekt "Moderne Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung".
Die additive Fertigung (ugs. „3D-Druck“) ist bei der Herstellung von hochkomplexen metallischen Bauteilen, bionisch inspiriertem Leichtbau oder Prototypen nicht mehr wegzudenken.
Für die konventionelle Fertigung hat sich das bestehende System der Qualitätsinfrastruktur (QI) bewährt. Die additive Fertigung vergrößert den gestalterischen Spielraum von möglichen Bauteilgeometrien und Prozessfehlern jedoch erheblich. Hier gerät die QI an ihre Grenzen, sodass die Fertigung und Zulassung sicherheitsrelevanter Bauteile sehr zeit- und kostenintensive Versuche erfordern. Eine moderne digitale QI erlaubt eine effizientere Qualitätssicherung für additiv gefertigte Bauteile. Dies erfordert eine durchgängig digitale Abbildung des physischen Materialflusses.
Der Vortrag stellt nach einer kurzen allgemeinen Einleitung zur additiven Fertigung und des Laser Powder Bed Fusion Verfahrens einige Herausforderungen vor, die derzeitig den Einsatz von AM-Komponenten in sicherheitsrelevanten Anwendungen erschweren. Abschließend werden zwei Beispiele von Arbeiten der BAM gezeigt, die zur Überwindung dieser Herausforderungen beitragen können.
Für die konventionelle Fertigung hat sich das bestehende System der Qualitätsinfrastruktur (QI) bewährt. Die additive Fertigung vergrößert den gestalterischen Spielraum von möglichen Bauteilgeometrien und Prozessfehlern jedoch erheblich. Hier gerät die QI an ihre Grenzen, sodass die Fertigung und Zulassung sicherheits-relevanter Bauteile sehr zeit- und kostenintensive Versuche erfordern. Eine moderne digitale QI erlaubt eine effizientere Qualitätssicherung für additiv gefertigte Bauteile. Dies erfordert eine durchgängig digitale Abbildung des physischen Materialflusses.
Am Beispiel eines abgesetzten zylindrischen Bauteils (Achsschenkel) werden Probleme der analytischen bruchmechanischen Bauteilbewertung diskutiert. Als Basis-philosophie wird ein Fail Safe-Kriterium (kontrolliertes Versagen) angesetzt. Die Forderung ist, dass sich der Achsschenkel, bevor er bricht, in einem Ausmaß plastisch verformen kann, bei dem der Fahrer bemerkt, dass mit seinem Fahrzeug etwas nicht in Ordnung ist. Um das zu gewährleisten, muss der Werkstoff einen bestimmten Riss-widerstand aufweisen. Dazu werden im hier vorgestellten ersten Teil des Projektes mittels FEM Rissspitzenbeanspruchungen in Abhängigkeit von der Auslenkung des Zylinders und angenommener Rissgrößen ermittelt. Diese finden als Zielgrößen in der weiteren Analyse Anwendung. Da eine einfach umzusetzende Lösung angestrebt wird, werden zusätzlich analytische Rechnungen an Ersatzgeometrien (halbunendliche Platte und Vollzylinder), aber mit den realen Spannungen am Bauteil durchgeführt. Es zeigt sich, dass die Ergebnisse wegen des Steifigkeitsunterschieds zwischen Bauteil und Ersatzgeometrie unvertretbar konservativ sind. Alternativ wird ein hybrides Konzept vorgestellt, für das die Modellparameter mittels FEM bestimmt werden. Es liefert sehr genaue Ergebnisse. Im Rahmen der analytischen Rechenvorschrift können die Lösungen auf andere Werkstoffe übertragen werden, ohne dass zusätzliche FEM-Analysen notwendig sind.
Am Beispiel eines abgesetzten zylindrischen Bauteils (Achsschenkel) werden Probleme der analytischen bruchmechanischen Bauteilbewertung diskutiert. Als Basis-philosophie wird ein Fail Safe-Kriterium (kontrolliertes Versagen) angesetzt. Die Forderung ist, dass sich der Achsschenkel, bevor er bricht, in einem Ausmaß plastisch verformen kann, bei dem der Fahrer bemerkt, dass mit seinem Fahrzeug etwas nicht in Ordnung ist. Um das zu gewährleisten, muss der Werkstoff einen bestimmten Riss-widerstand aufweisen. Dazu werden im hier vorgestellten ersten Teil des Projektes mittels FEM Rissspitzenbeanspruchungen in Abhängigkeit von der Auslenkung des Zylinders und angenommener Rissgrößen ermittelt. Diese finden als Zielgrößen in der weiteren Analyse Anwendung. Da eine einfach umzusetzende Lösung angestrebt wird, werden zusätzlich analytische Rechnungen an Ersatzgeometrien (halbunendliche Platte und Vollzylinder), aber mit den realen Spannungen am Bauteil durchgeführt. Es zeigt sich, dass die Ergebnisse wegen des Steifigkeitsunterschieds zwischen Bauteil und Ersatzgeometrie unvertretbar konservativ sind. Alternativ wird ein hybrides Konzept vorgestellt, für das die Modellparameter mittels FEM bestimmt werden. Es liefert sehr genaue Ergebnisse. Im Rahmen der analytischen Rechenvorschrift können die Lösungen auf andere Werkstoffe übertragen werden, ohne dass zusätzliche FEM-Analysen notwendig sind.
In-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung von Metallen (PBF-LB /M) mittels TT und ET
(2022)
Durch die additive Fertigung ergeben sich durch die nun mögliche wirtschaftliche Fertigung hochgradig individueller und komplexer metallischer Bauteile in kleinen Stückzahlen bis hinunter zum Einzelstück für viele Industriebereiche ganz neue Möglichkeiten.
Gleichzeitig entstehen jedoch neue Herausforderungen im Bereich der Qualitätssicherung, da sich auf statistischen Methoden beruhende Ansätze nicht anwenden lassen, ohne wiederum die Vorteile der Fertigung massiv einzuschränken.
Eine mögliche Lösung für dieses Problem liegt in der Anwendung verschiedener In-situ-Überwachungstechniken während des Bauprozesses. Jedoch sind nur wenige dieser Techniken kommerziell verfügbar und noch nicht so weit erforscht, dass die Einhaltung strenger Qualitäts- und Sicherheitsstandards gewährleistet werden kann. In diesem Beitrag stellen wir die Ergebnisse einer Studie über mittels L-PBF gefertigte Probekörper aus der Nickelbasis-Superlegierung Haynes 282 vor, bei denen die Bildung von Defekten durch lokale Variationen der Prozessparameter wie der Laserleistung provoziert wurde. Die Proben wurden in-situ mittels Thermographie, optischer Tomographie, Schmelzbadüberwachung und Wirbelstromprüfung sowie ex-situ mittels Computertomographie (CT) überwacht, mit dem Ziel, die Machbarkeit und die Aussichten der einzelnen Methoden für die zuverlässige Erkennung der Bildung relevanter Defekte zu bewerten.
Die mechanischen Eigenschaften und die Standardparametersätze werden im additiven Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) zumeist an Körpern ermittelt, die unter festen Randbedingungen gefertigt werden. In der Literatur wird allerdings von verschiedenen Autoren auf einen Einfluss von Geometrie und Prozess auf die resultierenden Eigenschaften hingewiesen [1, 2, 3]. Aufgrund des häufig großen Komplexitätsgrads von L-PBF Bauteilen und Prozessen, ist eine Abweichung angenommener Eigenschaften daher nicht auszuschließen. Das kann besonders für tragende und sicherheitsrelevante Komponenten kritisch sein und ist eine Herausforderung für die Qualitätssicherung. Aufwendige Trial-and-Error Versuche sind zumeist die Folge. Ein einheitliches und umfassendes Verständnis der Einflussfaktoren auf die resultierenden Eigenschaften im L-PBF Prozess ist zum aktuellen Stand nicht vorhanden.
In diesem Vortrag werden erste Ergebnisse einer Studie vorgestellt, in der systematisch die Bandbreite möglicher Defekt- und Mikrostrukturvariationen in L-PBF Bauteilen am Beispiel der Nickelbasislegierung Haynes 282 untersucht wird. Aufbauend auf einer modellbasierten Beschreibung des lokalen Wärmehaushalts wurden Versuchspläne entwickelt, die eine Vielzahl möglicher Prozess- und Geometriekonfigurationen realer Anwendungen abbilden können. Zur Untersuchung des Geometrieeinflusses wurden typische Geometrieelemente komplexer Strukturen und deren Ausprägungen identifiziert. Prozessseitig wurden die Position im Bauraum, Schwankungen der Laserleistung, die Zwischenlagenzeit und die Belichtungsstrategie innerhalb der Schicht als typische Faktoren berücksichtigt. Die Zwischenlagenzeit bildet dabei Variationen im Bauraumfüllgrad ab. Die Belichtungsstrategie untersucht Effekte wie die Zwischenvektorzeit (engl. inter vector time, IVT) oder die lokale Vektorlänge. Die verschiedenen Konfigurationen wurden metallografisch bewertet. Die bisherigen Ergebnisse können einen Einfluss der Geometrie und des Prozesses auf die Defektbildung und die Mikrostruktur in L-PBF Bauteilen aufzeigen. Durch prozessbegleitende thermografische in situ Messungen konnte außerdem eine Abhängigkeit von lokalen und globalen Temperaturfeldern identifiziert werden. Die Erkenntnisse zeigen zudem, dass der geometrische Einfluss auf den lokalen Wärmehaushalt von Anordnung, Gestalt und Dimensionen der zweidimensionalen Belichtungsbereiche über die Aufbauhöhe abhängt. Das gewonnene Verständnis soll in die Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien und Prüfkörpern einfließen, um Variationen lokaler Bauteileigenschaften in der zukünftigen Bauteil- und Prozessauslegung berücksichtigen zu können.
Entwicklung der Mikrostruktur der mechanischen Eigenschaften und der Eigenspannungen in L-PBF 316L
(2022)
Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe mittels Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ermöglicht einzigartige hierarchische Mikrostrukturen, die zu Verbesserungen bestimmter mechanischer Eigenschaften gegenüber konventionell hergestellten Varianten derselben Legierung führen können. Allerdings ist das L-PBF-Verfahren häufig durch das Vorhandensein hoher Eigenspannungen gekennzeichnet, die es zu verstehen und zu mindern gilt. Daher ist das Verständnis der Mikrostrukturen, der Eigenspannungen und der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften entscheidend für eine breite Akzeptanz bei sicherheitskritischen Anwendungen. Die BAM hat ein multidisziplinäres Forschungsprogramm gestartet, um diese Aspekte bei LPBF 316L zu untersuchen. Der vorliegende Beitrag stellt einige der wichtigsten Ergebnisse vor: der Einfluss von Prozessparametern auf die Mikrostruktur, der Einfluss von Mikrostruktur und Textur auf die Festigkeit, Kriechverhalten und Schädigung und die Stabilität von Eigenspannungen und Mikrostruktur unter Wärmebehandlungsbedingungen.
Heterogene Fehlstellendichten und Mikrostrukturausbildungen sind große Herausforderungen für den Einsatz des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens (L PBF) besonders für sicherheitskritische Bauteile. Unter der Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Qualität und die mechanischen Eigenschaften von L PBF-Bauteilen hat die Zwischenlagenzeit (ILT) bisher wenig Beachtung gefunden. Sie nimmt ebenso wie die Bauteilgeometrie Einfluss auf die thermische Historie während der Fertigung. Ihr Einfluss auf die intrinsische Vorerwärmung ist in Kombination mit der Bauteilhöhe mittels thermografischer Temperaturmessung untersucht worden. Signifikante Unterschiede in der thermischen Historie konnten dabei mit variierenden Schmelzbaddimensionen, Korngrößen und Fehlstellendichten am Beispiel der austenitischen Stahllegierung AISI 316L in Zusammenhang gebracht werden.
Heterogene Fehlstellendichten und Mikrostrukturausbildungen sind große Heraus-forderungen für den Einsatz des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens (L PBF) besonders für sicherheitskritische Bauteile. Unter der Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Qualität und die mechanischen Eigenschaften von L PBF-Bauteilen hat die Zwischenlagenzeit (ILT) bisher wenig Beachtung gefunden. Sie nimmt ebenso wie die Bauteilgeometrie Einfluss auf die thermische Historie während der Fertigung. Ihr Einfluss auf die intrinsische Vorerwärmung ist in Kombination mit der Bauteilhöhe mittels thermografischer Temperaturmessung untersucht worden. Signifikante Unterschiede in der thermischen Historie konnten dabei mit variierenden Schmelzbaddimensionen, Korngrößen und Fehlstellendichten am Beispiel der austenitischen Stahllegierung AISI 316L in Zusammenhang gebracht werden.
In der Automobilindustrie stellt das Presshärteverfahren eine Schlüsseltechnologie zur ressourceneffizienten Herstellung sicherheitsrelevanter Karosserie-komponenten dar. Während der Umformoperation treten jedoch hohe Reibungs- und Verschleißerscheinungen an den interagierenden Werkzeug- und Werkstückwirkflächen auf, die sowohl die Bauteilqualität als auch die Maschinenstandzeit nachhaltig beeinträchtigen. Um die bestehenden Verfahrensgrenzen zu erweitern, wird daher eine Modifikation der Presshärtewerkzeuge mittels Laserimplantation angestrebt. Hierbei werden in die Werkzeugoberfläche keramische Hartstoffpartikel anhand eines gepulsten Laserstrahles eingebettet, infolgedessen kuppelförmige sowie höchstfeste Strukturen im Mikrometerbereich entstehen. Die Auswahl geeigneter Hartstoffmaterialien stellt jedoch ein entscheidendes und bisweilen limitierendes Kriterium dar, um defektfreie sowie verschleißresistente Oberflächenmodifikationen zu generieren. In diesem Zusammenhang wurden im Rahmen dieser Arbeit unterschiedliche titanbasierte Hartstoffpartikel auf presshärtespezifische Werkzeugstähle laserimplantiert und anschließend mittels modifizierten Pin-on-Disk-Tests hinsichtlich ihres tribologischen Einsatzverhaltens untersucht. Um die Wirksamkeit des Laserimplantationsverfahrens zu evaluieren, wurden zudem Verschleißuntersuchungen an unmodifizierten Werkzeugoberflächen durchgeführt und mit den erzielten Ergebnissen der lokal dispergierten Topographien verglichen.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.