Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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µCT is used to validate the capability of online monitoring for in-situ detection of defects during the L-PBF build process, which is a focus of the TF project ProMoAM.
Our first experiments show that online monitoring using thermography and optical tomography cameras are able to detect defects in the built part. But further research is needed to understand root cause of the correlation.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften der photonenzählenden und spektralauflösenden Detektortechnik und möglichen Anwendungsgebieten in der zerstörungsfreien Prüfung. Dabei wurden konventionelle und photonenzählende Detektortechniken hinsichtlich der Bildqualität und Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Prüfaufgaben verglichen und untersucht, inwiefern sich die Energieschwellwertsetzung auf die erreichbare Bildqualität und eine Materialdiskriminierbarkeit bei verschiedenen radiographischen Verfahren auswirkt.
Anhand von Anwendungsbeispielen wurden diese Eigenschaften und deren Auswirkung auf das Messergebnis analysiert. Neben der Radiographie wurden auch dreidimensionale Verfahren wie CT und Laminographie berücksichtigt.
Als eine der wichtigsten Eigenschaften der photonenzählenden Detektortechnik wurden zunächst die Energieauflösung des photonenzählenden Detektors und die Homogenität der Energieantwort über größere Detektorbereiche bestimmt. Dabei stellte sich heraus, dass die Energieauflösung eines abgegrenzten Detektorbereichs ca. 32 % bei 60 keV beträgt und die Streuung in der Energieantwort der einzelnen Detektorbereiche ca. 12 % ausmacht, woraus sich eine Gesamtunsicherheit in der spektralen Detektorantwort von ca. 44 % ergibt. Die geringe Energieauflösung und das stark heterogene Verhalten der Detektorbereiche ergeben sich vor allem aus der Detektorelektronik, welche nur eine globale Energieschwellwertsetzung zulässt.
Trotz dieser Einschränkungen konnte demonstriert werden, dass auch konventionelle radiographische Verfahren, wie Radiographie oder CT, vom Einsatz der photonenzählenden Technik profitieren. So ist es mit dieser Technik möglich, bei sehr geringen Dosisleistungen (z.B. aufgrund der Durchstrahlung großer Wandstärken von dichten Materialien) noch sehr gute Bildqualitäten zu erreichen. Die hohe Dynamik und Kontrastempfindlichkeit dieser Technik begünstigen die Inspektion von Leichtbauwerkstoffen wie Faserverbunde, was anhand von Vergleichen mit herkömmlicher Detektortechnik und anderen ZfP-Verfahren gezeigt werden konnte. Daneben konnte durch den Einsatz der Energieschwellwertsetzung der Einfluss von nicht bildzeichnender Streustrahlung im Röntgenbild um bis zu 20 % reduziert werden. Die Auswirkungen von Aufhärtungseffekten in der CT konnten sogar um bis zu Faktor 1 000 (in der mittleren quadratischen Abweichung), im Vergleich zu herkömmlicher Detektortechnik, reduziert werden.
Der Einsatz von photonenzählender Detektortechnik mit Röntgenblitzröhren ist hingegen nicht sinnvoll, da aufgrund der hohen Photonendichte pro Puls und einer endlichen Totzeit des Detektors in der Größenordnung der Pulsbreite eines Blitzes nur ein geringes Signal detektiert werden kann.
Im Hinblick auf eine Materialdiskriminierbarkeit konnte demonstriert werden, dass im Fall einer Radiographie anhand der Energieschwellwertsetzung im Detektor eine materialstärkenunabhängige Diskriminierung zwischen zwei Materialien (hier: Al und Fe) erzielt werden kann. Unter Einsatz mehrerer Energiefenster und eines Verfahrens der explorativen und multivariaten Datenanalyse konnte eine materialaufgelöste CT eines Multi-Material-Phantoms erreicht werden, wobei die Schwächungskoeffizienten der enthaltenen Materialien im relevanten Energieberiech teilweise sehr dicht beieinander lagen.
Neben Radiographie und CT wurde auch die Möglichkeit einer materialaufgelösten Laminographie am Beispiel eines glasfaserverstärkten Rotorblatts untersucht. Anhand der Energieschwellwertsetzung war nicht nur eine eindeutige Trennung der Glasfasern von der Epoxidharzmatrix möglich, sondern auch eine signifikante Reduzierung der durch die Laminographie entstandenen Artefakte. Der damit verbundene Gewinn an Information führt zu einer verbesserten Aussagefähigkeit des Untersuchungsergebnisses, was letztendlich eine gesteigerte Betriebssicherheit zur Folge hat.
X-ray tomography characterisation of lattice structures processed by selective electron beam melting
(2017)
Metallic lattice structures intentionally contain open porosity; however, they can also contain unwanted closed porosity within the structural members. The entrained porosity and defects within three different geometries of Ti-6Al-4V lattices, fabricated by Selective Electron Beam Melting (SEBM), is assessed from X-ray computed tomography (CT) scans. The results suggest that horizontal struts that are built upon loose powder show particularly high (~20 x 10⁻³ vol %) levels of pores, as do nodes at which many (in our case 24) struts meet. On the other hand, for struts more closely aligned (0° to 54°) to the build direction, the fraction of porosity appears to be much lower (~0.17 x 10⁻³%) arising mainly from pores contained within the original atomised powder particles.
X-ray refraction is analogous to visible light deflection by matter; it occurs at boundaries between different media. The main difference between visible light and X-rays is that in the latter case deflection angles are very small, from a few seconds to a few minutes of arc (i.e., the refraction index n is near to 1). Importantly, deflection of X-rays is also sensitive to the orientation of the object boundaries. These features make X-ray refraction techniques extremely suitable to a) detect defects such as pores and microcracks and quantify their densities in bulk (not too heavy) materials, and b) evaluate porosity and particle properties such as orientation, size, and spatial distribution (by mapping). While X-ray refraction techniques cannot in general image single defects, they can detect objects with size above a few wavelengths of the radiation.
Such techniques, especially at the Synchrotron BESSY II, Berlin, Germany, can be used in-situ, i.e. when the specimen is subjected to temperatures or external loads.
The use of X-ray refraction analysis yields quantitative information, which can be directly input in kinetics, mechanical and damage models.
We hereby show the application of non-destructive X-ray refraction radiography (SXRR, 2D mapping also called topography) to problems in additive manufacturing:
1) Porosity analysis in PBF-LM-Ti64. Through the use of SXRR, we could not only map the (very sparse) porosity distribution between the layers and quantify it, but also classify, and thereby separate, the filled porosity (unmolten powder) from the keyhole and gas pores (Figure 1).
2) In-situ heat treatment of laser powder bed fusion PBF-LM-AlSi10Mg to monitor microstructure and porosity evolution as a function of temperature (Figure 2). By means of SXRR we indirectly observed the initial eutectic Si network break down into larger particles as a function of increasing temperature. We also could detect the thermally induced porosity (TIP). Such changes in the Si-phase morphology upon heating is currently only possible using scanning electron microscopy, but with a much smaller field-of-view. SXRR also allows observing the growth of some individual pores, usually studied via X-ray computed tomography, but again on much smaller fields-of-view.
Our results show the great potential of in-situ SXRR as a tool to gain in-depth knowledge of the defect distribution and the susceptibility of any material to thermally induced damage and/or microstructure evolution over statistically relevant volumes.
In this paper we report on the characterization by X-ray computed tomography of calcium phosphate (CaP) and polycaprolactone (PCL) coatings on Ti-6Al-4V alloy scaffolds used as a material for medical implants. The cylindrical scaffold has greater porosity of the inner part than the external part, thus, mimicking trabecular and cortical bone, respectively. The prismatic scaffolds have uniform porosity. Surface of the scaffolds was modified with calcium phosphate (CaP) and polycaprolactone (PCL) by dip-coating to improve biocompatibility and mechanical properties. Computed tomography performed with X-ray and synchrotron radiation revealed the defects of structure and morphology of CaP and PCL coatings showing small platelet-like and spider-web-like structures, respectively.
To see and not to see - Möglichkeiten und Grenzen der Schadensanalyse mit CT an Kompositmaterialien
(2020)
Anhand von drei Beispielen (Datenfusion an CFK; Machine Learning an Metall-Matrix-Kompositen sowie Refraktion an CFK) wird gezeigt, wie die BAM mit neuen Analysemethoden mehr Informationen aus CT-Datensätzen extrahieren kann, sowie mit der Refraktion eine Analysemethode besitzt, die in Fällen eingesetzt werden kann, bei denen klassische Durchstrahlungsmethoden kein Ergebnis liefern.
In the present study, internal damage to an AlSi12CuMgNi alloy reinforced with planar random Al2O3 short fibres was investigated after compression testing. Due to the alloy composition, this composite contains a second reinforcement phase in the form of eutectic Si, which builds interpenetrated networks in the volume and increases the creep resistance and load-bearing capacity of the material. Materials with their fibre plane parallel and transversal to the load direction were characterized in order to investigate the dependence of load partition and damage on fibre plane orientation. In-situ compression testing during neutron diffraction measurements showed that internal damage is strongly influenced by the load partition between matrix and reinforcement. Moreover, micro-computed tomography was performed in the same material after ex-situ compression for damage analysis. In the case of a fibre plane perpendicular to the applied load, breakage and interconnected cracks appeared in a significantly higher volume fraction than with a fibre plane parallel to load.
Load partitioning between phases in a cast AlSi12CuMgNi alloy was investigated by in-situ compression test during neutron diffraction experiments. Computed tomography (CT) was used to determine volume fractions of eutectic Si and intermetallic (IM) phases, and to assess internal damage after ex-situ compression tests. The CT reconstructed volumes showed the interconnectivity of IM phases, which build a 3D network together with eutectic Si. Large stresses were found in IMs, revealing their significant role as a reinforcement for the alloy. An existing micromechanical model based on Maxwell scheme was extended to the present case, assuming the alloy as a three-phase composite (Al matrix, eutectic Si, IM phases). The model agrees well with the experimental data.
Moreover, it allows predicting the principal stresses in each phase, while experiments can only determine stress differences between the axial and radial sample directions. Finally, we showed that the addition of alloying elements not only allowed developing a 3D interconnected network, but also improved the strength of the Al matrix, and the ability of the alloy constituents to bear mechanical load.
The Influence of the Temperature Gradient on the Distribution of Residual Stresses in AM AISI 316L
(2019)
Steep temperature gradients and solidification shrinkage are the main contributors to the formation of residual stresses in additively manufactured metallic parts produced by laser beam melting. The aim of this work was to determine the influence of the temperature gradient.
Diffraction results show a similar pattern for both specimens, indicating the shrinkage to be more dominant for the distribution of residual stresses than the temperature gradient. Thermography results imply that a higher energy input result in higher compressive residual stresses in the bulk.
An ultrasonic vibration post-treatment procedure was suggested for additively manufac-tured lattices. The aim of the present research was to investigate mechanical properties andthe differences in mechanical behavior and fracture modes of Ti6Al4V scaffolds treated withtraditional powder recovery system (PRS) and ultrasound vibration (USV). Scanning electronmicroscopy (SEM) was used to investigate the strut surface and the fracture surface mor-phology. X-ray computed tomography (CT) was employed to evaluate the inner structure,strut dimensions, pore size, as well as the surface morphology of additively manufacturedporous scaffolds. Uniaxial compression tests were conducted to obtain elastic modulus,compressive ultimate strength and yield stress. Finite element analysis was performedfor a body-centered cubic (BCC) element-based model and for CT-based reconstructiondata, as well as for a two-zone scaffold model to evaluate stress distribution during elasticdeformation. The scaffold with PRS post treatment displayed ductile behavior, while USVtreated scaffold displayed fragile behavior. Double barrel formation of PRS treated scaffoldwas observed during deformation. Finite element analysis for the CT-based reconstructionrevealed the strong impact of surface morphology on the stress distribution in comparisonwith BCC cell model because of partially molten metal particles on the surface of struts,which usually remain unstressed.