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.
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.
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.
Nominal-actual comparisons are routinely performed to compare a manufactured specimen to a reference specimen. X-ray Computed Tomography (CT) has brought a profound change in the way that tolerance verifications are performed in industry, by allowing the inner and outer geometries of an object to be measured, without the need for external access or destructive testing. As a results, CT is increasingly used in additive manufacturing applications, where a nominal-actual comparison performed between the digital model (CAD file), used as an input for the 3D printer, and the CT volume from the printed part, can provide invaluable information as to the accuracy of the printing process. However, the nominal-actual comparison process is somewhat different when applied to additively manufactured specimens by comparison to conventionally manufactured specimens.
Nominal-actual comparisons are routinely performed to compare a manufactured specimen to a reference specimen. X-ray Computed Tomography (CT) has brought a profound change in the way that tolerance verifications are performed in industry, by allowing the inner and outer geometries of an object to be measured, without the need for external access or destructive testing. As a results, CT is increasingly used in additive manufacturing applications, where a nominal-actual comparison performed between the digital model (CAD file), used as an input for the 3D printer, and the CT volume from the printed part, can provide invaluable information as to the accuracy of the printing process. However, the nominal-actual comparison process is somewhat different when applied to additively manufactured specimens by comparison to conventionally manufactured specimens.
Using non-optimum combination of manufacturing parameters in selective laser melting (SLM) may lead to reduction of quality of component: defects generation, distortion of geometry and even cracking. Usually, the optimization of parameters is performed by changing volumetric energy density (Ev) and selecting parameters giving low porosity values. However, not only low porosity but also stable microstructure and low residual stresses will help to achieve advanced mechanical behavior of the component.
In present work, we investigated cuboid-shaped Ti-6Al-4V samples produced with different manufacturing parameters. The parameters leading to the same Ev were considered as well as parameters which are not included in Ev. Residual stresses in subsurface region were investigated by synchrotron X-ray diffraction, which allows to penetrate around 100 µm from the surface therefore overcome the problem of high roughness of SLM components without additional sample preparation. Only tensile stresses were found along the building direction, that can play critical role especially during cyclic loading. The pore shape and spatial distribution obtained by computed tomography varied for samples produced with the same Ev. However, by using some process parameters it was possible to decrease residual stresses and obtain uniform α+β Ti microstructure and relatively low porosity. Additionally, it was found that not included in Ev (e.g., base plate position, focus distance) should be considered as additional manufacturing parameters during SLM process.
While the volumetric energy density is commonly used to qualify a process parameter set, and to quantify its influence on the microstructure and performance of additively manufactured (AM) materials and components, it has been already shown that this description is by no means exhaustive. In this work, new aspects of the optimization of the selective laser melting process are investigated for AM Ti-6Al-4V. We focus on the amount of near-surface residual stress (RS), often blamed for the failure of components, and on the porosity characteristics (amount and spatial distribution). First, using synchrotron x-ray diffraction we show that higher RS in the subsurface region is generated if a lower energy density is used. Second, we show that laser de-focusing and sample positioning inside the build chamber also play an eminent role, and we quantify this influence. In parallel, using X-ray Computed Tomography, we observe that porosity is mainly concentrated in the contour region, except in the case where the laser speed is small. The low values of porosity (less than 1%) do not influence RS.
The material and damage behaviour of additively manufactured polyamide 12 (PA12) under dynamic loading was characterized by cyclic tests and microstructure analysis. The results were used to develop a numerical material and damage model. In a recent study, it was shown that the material and damage behaviour of 3D printed PA12 under quasistatic loading is simulated in a realistic way by coupling the
material model by Chaboche and the damage model by Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN).
Using microscopy, X-ray refraction, and computed tomography, a porosity of about 5% was evaluated. These results served as a starting point for the present work. For the dynamic load, both the previously used Chaboche model and the GTN model were extended. Furthermore, the temperature was measured during the experiment and the self-heating effect was observed. Therefore, a temperaturedependent material parameters for the simulation were introduced. Considering the results of mechanical experiments, microstructural investigations, and self-heating effects, a good agreement between Experiment and numerical simulation could be achieved.