Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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In-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung von Metallen mittels optischer Verfahren
(2020)
Einer der aussichtsreichsten Ansätze, die Qualität und Sicherheit der gefertigten Teile in der metallbasierten additiven Fertigung (AM) zu erhöhen und die Notwendigkeit aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen (ZfP) nach der Fertigung zu verringern, liegt in dem Einsatz von in-situ Prozessüberwachungstechniken. Bereits jetzt werden erste Messsysteme zur Kontrolle der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie kommerziell angeboten. Weitere ZfP Verfahren, wie z.B. die aktive und passive Thermografie, werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung angesehen, allerdings gibt es noch wenig konkrete praktische Umsetzungen, da die Möglichkeiten und individuellen Grenzen dieser Methoden, angewendet auf AM, noch nicht ausreichend erforscht sind. Aus diesem Grund verfolgt die BAM mit dem Projekt „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) im Themenfeld Material das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile weiterzuentwickeln.
Im Beitrag wird zunächst das Projekt vorgestellt und anschließend der Fokus auf eine Messserie gelegt, in der Probekörper aus dem austenitischen Edelstahl 316L mit lokal variierenden Prozessparametern mittels selektiven Laserschmelzen (L-PBF) aufgebaut wurden. Der Bauprozess wurde hierbei durch das maschineneigene, koaxial arbeitende Photodiodensystem (Melt-Pool-Monitoring), einer Mittelwellen-Infrarotkamera und einer optischen Tomografiekamera im sichtbaren Wellenlängenbereich (Langzeitbelichtung für die Dauer eines Lagenaufbaus mit einer CMOS-Kamera mit hoher Ortsauflösung) simultan überwacht. Als Referenz für diese Methoden wurden die Probekörper mittels Computertomografie untersucht. Für die dabei anfallenden teils großen Datenmengen wurden Algorithmen für ein effizientes Preprocessing entwickelt. Es wurden Merkmale der Messdaten in Korrelation zu Fehlern und Inhomogenitäten extrahiert, welche für die einzelnen Methoden vergleichend vorgestellt und diskutiert werden.
Das DED Auftragschweißen ist ein additives Fertigungsverfahren für Metalle, bei dem das Material schichtweise auf ein Substrat aufgetragen wird. Die schnellen Temperaturzyklen rufen Spannungsgradienten im Bauteil hervor. Der schichtweise Aufbau der Bauteile verursacht eine anisotrope Mikrostruktur. Mittels nachgelagerter Wärmebehandlung können diese Effekte verringert werden. Im anschließenden Schritt der Prozesskette wird das additiv hergestellte Bauteil mittels Drahterodieren von dem Substrat abgetrennt.
In diesem Beitrag wird eine thermo-mechanische Simulation der gesamten Prozesskette vorgestellt, welche den additiven Aufbau, Wärmebehandlung und das Abtrennen vom Substrat beinhaltet. Anstelle der in der Literatur üblichen schichtweisen Modellierungsstrategie für die DED Simulation wird das gesamte Bauteil in einem Stück vernetzt und der vollständig transiente, schichtweise Materialauftrag über Elementgruppen realisiert. Im Gegensatz zu früheren Simulationen muss der nichtlineare Kontakt zwischen den Schichten nicht berücksichtigt werden, was die Rechenzeiten deutlich verkürzt.
Das Modell wurde validiert mittels Abgleiches des Verzugs aus Simulation und Experiment.
Die Proben, bestehend aus DIN 1.4404 (AISI 316L), wurden nach jedem Prozessschritt 3D gescannt um den Verzug zu quantifizieren. Zusätzlich wurden Querschnitte und Härtetests nach Vickers von unterschiedlich behandelten Proben durchgeführt, um den Effekt der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur und die Härte des Bauteils zu untersuchen.
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.
Funktional gradierte Materialien auf Basis von Stellite und Stahl im Laserpulver-Auftragschweißen
(2022)
Das Hinzufügen von Stellite auf Stahl ist eine typische Vorgehensweise um Bauteile gegen Verschleiß und Korrosion zu schützen. Der Sprung in den Materialeigenschaften kann jedoch zu Rissen und somit zum Versagen der Beschichtung führen. Um die Lebensdauer von Beschichtungen zu erhöhen wird daher ein gradierter Übergang mit verschiedenen Materialpaarungen untersucht.
Um Bauteile vor Verschleiß und Korrosion zu schützen werden Beschichtungen aus resistenteren Materialien aufgetragen. Hierzu zählen unter anderen die Legierungen auf Cobalt-Chrom Basis. Der diskrete Materialsprung ist jedoch unter thermischen und mechanischen Belastungen häufig Ursache für das Versagen der Beschichtung. In dieser Arbeit werden daher Materialgradierungen von verschiedenen Stahllegierungen zu einer Cobalt-Chrom Basislegierung untersucht. Die Ergebnissen werden dafür auch mit Resultaten zu vorangegangenen Untersuchungen verglichen. Kern der Arbeit bilden geätzte Schliffbilder der Materialpaarungen und Auswertungen mittels Farbeindringprüfung sowie die metallografische Bestimmung der Porosität. Ziel der Arbeit ist ein defektfreier Aufbau der funktional gradierten Materialpaarungen.
Durch pulverbasiertes Directed-Energy Deposition lassen sich Gradierungen fertigen, um diskrete Materialübergänge zu vermeiden und die Lebensdauer von Hartschichten zu erhöhen. Die Kombination aus Stahl als Basiswerkstoff und einer verschleiß- und korrosionsbeständigen Co-Cr Legierung verspricht durch Vermeiden von Spannungskonzentrationen das Verhindern von Abplatzungen und Rissen in der Schutzschicht. Um die Qualität des gefertigten Bauteils zu beurteilen, liegen für solche Funktional Gradierten Materialien (FGM) wenig Erkenntnisse vor. Daher wird im Rahmen dieser Studie eine Methodik erarbeitet, um die relative Dichte eines Funktional Gradierten Materials auf Stahl und Co-Cr Basis mittels Maschinendaten zu bestimmen. Anschließend wird unter Einsatz eines künstlichen neuronalen Netzes anhand von Sensordaten die relative Dichte vorhergesagt. Das trainierte Netz erreicht eine Vorhersagegenauigkeiten von 99,83%. Abschließend wird eine Anwendung anhand von einem Demonstrator gezeigt.
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.
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.
Fracture mechanics is a key to fatigue assessment in AM metal components. Short fatigue cracks are initiated at defects and pronounced surface roughness intrinsic to AM. The subsequent crack-propagation is strongly influenced by microstructural interactions and the build-up of crack-closure. The aim of the present study is to give an insight into short-crack propagation in AM-metals. Fatigue crack propagation resistance curves were determined experimentally for AISI 316L manufactured by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) which was heat treated at three different temperatures. Differences in the build-up of the fatigue-crack propagation threshold in between the L-PBF specimens and compared to wrought material are due to the residual stress states, a pronounced roughness of the crack-faces in the L-PBF specimens and phase transformation in the vicinity of the crack-tip, resulting in increased crack-closure. This, together with crack-branching found along the crack path, enhances the resistance to the propagation of fatigue cracks.