Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die additive Verarbeitung hochfester Feinkornbaustähle mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist ein komplexes, aber zugleich auch effizientes Verfahren, bei dem Werkstoff, Bauteilgeometrie und Schweißprozess gezielt aufeinander abgestimmt sein müssen. Ziel dieser Studie war es, einen Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und der generierten Schichtgeometrie zu ermitteln. Dazu wurden definierte Referenzkörper mit einem robotergestützten Schweißsystem additiv gefertigt und hinsichtlich Schichthöhe, Wandstärke und Mikrostruktur analysiert. Fokus der Untersuchung waren sowohl konventionelle als auch für die WAAM-Fertigung speziell entwickelte hochfeste Schweißzusatzwerkstoffe. Die geometrischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile lassen sich insbesondere durch die Faktoren Drahtvorschubgeschwindigkeit und Schweißgeschwindigkeit gezielt einstellen. Jedoch können diese Parameter nicht beliebig variiert werden, auch aufgrund der rheologischen Eigenschaften der Zusatzwerkstoffe. Zu hohe Streckenenergien führen zu lokalen Überhitzungen und Fehlstellen in der generierten Schicht. Undefinierte Fließ- und Erstarrungsvorgänge im überhitzten Bereich erschweren die maßhaltige Fertigung. Deshalb wird bei speziellen WAAM-Schweißdrähten das Fließverhalten gezielt modifiziert, sodass es über einen größeren Temperaturbereich hinweg konstant ist. Erst die Kenntnis über die komplexen Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und der Bauteilgeometrie ermöglicht die Erzeugung exakter Schichtmodelle für die additive Fertigung. Dies bildet die Grundlage für die Bearbeitung weiterer Fragestellungen auf dem Gebiet der additiven Fertigung mit hochfesten Zusatzwerkstoffen und insbesondere deren Anwendung in modernen hochfesten Bauteilen.
The fracture mechanics-based IBESS approach is applied to the determination of FAT classes of butt welds with crack Initiation along the weld toe. The aim is an investigation of the effect of the geometrical parameters toe radius, flank angle, reinforcement and secondary notches such as roughness or undercuts. The influence of these parameters is discussed both individually and in combination; however, excluding statistical distributions of them and the material data. The results, when compared with conventional FAT classes for butt welds, are encouraging with respect to a potential contribution of IBESS to the discussion of more advanced quality criteria for welds. To that purpose, demands for further research are proposed.
Für die Bestimmung der Restlebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile kommt dem Schwellenwert für Ermüdungsrissausbreitung ∆Kth und dem sich anschließenden Schwellenwertbereich der da/dN-∆K-Kurve große Bedeutung zu. Dem stehen Unsicherheiten bei der Bestimmung und Analyse gegenüber. Der Aufsatz befasst sich mit der Ermittlung des sogenannten intrinsischen Schwellenwerts, der als robuster Eingangsparameter für eine „rissschließfreie“ Analyse der Restlebensdauer von entscheidender Bedeutung ist.
The relationship between residual stresses and microstructure associated with a laser powder bed fusion (LPBF) IN718 alloy has been investigated on specimens produced with three different scanning strategies (unidirectional Y-scan, 90° XY-scan, and 67° Rot-scan). Synchrotron X-ray energy-dispersive diffraction (EDXRD) combined with optical profilometry was used to study residual stress (RS) distribution and distortion upon removal of the specimens from the baseplate. The microstructural characterization of both the bulk and the nearsurface regions was conducted using scanning electron microscopy (SEM) and electron backscatter diffraction (EBSD). On the top surfaces of the specimens, the highest RS values are observed in the Y-scan specimen and the lowest in the Rot-scan specimen, while the tendency is inversed on the side lateral surfaces. A considerable amount of RS remains in the specimens after their removal from the baseplate, especially in the Y- and Z-direction (short specimen Dimension and building direction (BD), respectively). The distortion measured on the top surface following baseplate thinning and subsequent removal is mainly attributed to the amount of RS released in the build direction. Importantly, it is observed that the additive manufacturing microstructures challenge the use of classic theoretical models for the calculation of diffraction elastic constants (DEC) required for diffraction-based RS analysis. It is found that when the Reuß model is used for the calculation of RS for different crystal planes, as opposed to the conventionally used Kröner model, the results exhibit lower scatter. This is discussed in context of experimental measurements of DEC available in the literature for conventional and additively manufactured Ni-base alloys.
Laser powder bed fusion (LPBF) of Ni-based superalloys shows great potential for high temperature applications, for example, as a burner repair application for gas turbines where the thin-walled structure is important. It motivates this work to investigate the evolution of microstructure and the anisotropic mechanical behavior when plate-like specimens are built with a thickness from 4 mm down to 1 mm. By performing texture analysis using neutron diffraction, a clear transition in fiber texture from <011> to <001> is indicated when the specimen becomes thinner. The residual stress shows no thickness dependence, and at the subsurface the residual stress reaches the same level as the yield strength. Due to the rough as-built surface, a roughness compensation method for mechanical properties of thin-walled structures is outlined and demonstrated. Tensile tests from room temperature up to 700 ◦C have been carried out. Anisotropic mechanical behavior is found at all temperatures, which is strongly related to the anisotropic texture evolution. Stronger texture evolution and grain rotations are discovered when the tensile loading is applied along the building direction. The mechanical behavior has been compared to a wrought material, where the high dislocation density and the subgrain structure of the LPBF material result in a higher yield strength. Combining the statistical texture analysis by neutron diffraction with mechanical testing, EBSD grain orientation mapping and the investigation of dislocation structures using transmission electron microscopy, this work illustrates the significance of texture for the thin-wall effect and anisotropic mechanical behavior of LPBF materials.
Rapid cooling rates and steep temperature gradients are characteristic of additively manufactured parts and important factors for the residual stress formation. This study examined the influence of heat accumulation on the distribution of residual stress in two prisms produced by Laser Powder Bed Fusion (LPBF) of austenitic stainless steel 316L. The layers of the prisms were exposed using two different border fill scan strategies: one scanned from the centre to the perimeter and the other from the perimeter to the centre. The goal was to reveal the effect of different heat inputs on samples featuring the same solidification shrinkage. Residual stress was characterised in one plane perpendicular to the building direction at the mid height using Neutron and Lab X-ray diffraction. Thermography data obtained during the build process were analysed in order to correlate the cooling rates and apparent surface temperatures with the residual stress results. Optical microscopy and micro computed tomography were used to correlate defect populations with the residual stress distribution. The two scanning strategies led to residual stress distributions that were typical for additively manufactured components: compressive stresses in the bulk and tensile stresses at the surface. However, due to the different heat accumulation, the maximum residual stress levels differed. We concluded that solidification shrinkage plays a major role in determining the shape of the residual stress distribution, while the temperature gradient mechanism appears to determine the magnitude of peak residual stresses.
Für die Bestimmung der Restlebensdauer zyklisch beanspruchter Bauteile kommt dem Schwellenwert für Ermüdungsrissausbreitung ΔKth und dem sich anschließenden Schwellenwertbereich der dadN⁄-ΔK-Kurve große Bedeutung zu. Dem stehen Unsicherheiten bei der Bestimmung und Analyse gegenüber. Der Aufsatz befasst sich mit der Ermittlung des sogenannten intrinsischen Schwellenwerts, der als robuster Eingangsparameter für eine „rissschließfreie“ Analyse der Restlebensdauer von entscheidender Bedeutung ist.
Optimized planning and evaluation of dental implant fatigue testing: A specific software application
(2020)
Mechanical complications in implant-supported fixed dental prostheses are often related to implant and prosthetic design. Although the current ISO 14801 provides a framework for the evaluation of dental implant mechanical reliability, strict adherence to it may be difficult to achieve due to the large number of test specimens which it requires as well as the fact that it does not offer any probabilistic reference for determining the endurance limit. In order to address these issues, a new software program called ProFatigue is presented as a potentially powerful tool to optimize fatigue testing of implant-supported prostheses. The present work provides a brief description of some concepts such as load, fatigue and stress-number of cycles to failure curves (S-N curves), before subsequently describing the current regulatory situation. After analyzing the two most recent versions of the ISO recommendation (from 2008 and 2016), some limitations inherent to the experimental methods which they propose are highlighted. Finally, the main advantages and instructions for the correct implementation of the ProFatigue free software are given. This software will contribute to improving the performance of fatigue testing in a more accurate and optimized way, helping researchers to gain a better understanding of the behavior of dental implants in this type of mechanical test.
Die schadenstolerante Bewertung von zyklisch beanspruchten Bauteilen auf bruchmechanischer Grundlage ist von großer praktischer Bedeutung, insbesondere für die Spezifizierung von Inspektionsintervallen. Eine Schwachstelle der gegenwärtigen Vorgehensweise bildet der nur ungenügend verstandene Schwellenwertbereich der da/dN-ΔK -Kurve. Relevant ist das deshalb, weil viele Bauteile bei Lasten betrieben werden, die in eben diesen Bereich fallen. Der Vortrag beschäftigt sich mit Unsicherheiten bei der Ermittlung des Schwellenwertes, mit Einflussparametern, die dabei zu berücksichtigen sind, und mit einem Vorschlag zur konservativen Einbeziehung des Schwellenwertbereichs
in die Bauteilauslegung.
Der Schwellenwert gegen Ermüdungsrissausbreitung ist als der zyklische Spannungsintensitätsfaktor definiert, unterhalb dessen kein Risswachstum mehr stattfindet. Dabei ist zu beachten, dass der Wert in der konventionellen da/dN-ΔK -Kurve auf Langrisswachstum beschränkt ist und, strenggenommen, auch das nur dann, wenn das Rissschließphänomen voll ausgebildet ist. Unter Rissschließen versteht man das Schließen des zyklisch beanspruchten Risses in der Regel oberhalb des Nulldurchgangs der Last. Wichtige Rissschließmechanismen sind das plastizitäts-, das rauheits- und das oxid-induzierte Schließen wobei die beiden letztgenannten im Schwellenwertbereich dominierend sind. Der Schwellenwert selbst besteht aus zwei Anteilen, einem intrinsischen, der von den elastischen Konstanten und vom Gittertyp abhängt und einem extrinsischen, der mit dem Aufbau der Rissschließeffekte zusammenhängt und von Parametern wie der Mikrostruktur, dem Spannungsverhältnis aus Unter- und Oberlast und der Risstiefe beeinflusst wird.
In Fällen, bei denen oxid-induziertes Rissschließen eine Rolle spielt, hängt der erhaltene Wert des Schwellenwerts vom experimentellen Verfahren ab, wobei die konventionelle Lastabsenkung nach Standard nicht-konservative Werte ergeben kann. Der Vortrag thematisiert die unterschiedlichen Optionen der experimentellen Ermittlung mit besonderem Fokus auf dem intrinsischen Schwellenwert und, davon ausgehend, die Anbindung an den rissschließkorrigierten Paris-Bereich der da/dN-ΔK -Kurve.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen.