Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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We analyzed the results of high-energy X-ray CT scans for three 20×16×16 in. block samples of Indiana limestone from our recent radial acidizing experiments with HCl. CT scans were done for complete samples, and 3D images of internal dissolution patterns were built. Each 3D image consists of submillimeter-size voxels to capture fine details of individual wormholes.
The obtained 3D images of acidized blocks allow us to observe from various angles the details of the wormholes obtained in the three experiments, which demonstrated wide pore-volume-to-breakthrough (PVBT) range with three different injection rates. Also, variation of the CT number reveals the presence of depositional layers in all block samples, and the obtained CT images were used to interpret the effect that rock layers might have on wormhole penetration at different injection rates.
Further, the built voxel models were used to calculate the radial distributions of dissolved rock volume, which otherwise are not obvious for such complex branched structures as wormholes. We observed how varied experimental conditions affected those distributions. The radial distributions were found very similar across the samples, which suggested the way to detect the effective wormhole penetration depth.
Due to the rapid thermal cycles involved in additive manufacturing of metals, high internal stresses and peculiar microstructures occur, which influence the parts mechanical properties. To systematically examine their formation, in-process measurements of the temperature are needed. Since the part emissivity is strongly inhomogeneous and rapidly changing in the process, the applicability of thermography for the determination of thermodynamic temperatures is limited. Measuring the thermal radiation in different wavelengths simultaneously, temperature and emissivity can be separated. Here, we present results of a preliminary study using multispectral thermography to obtain real temperatures and emissivities in directed energy deposition (DED) processes.
Additive manufacturing (AM) offers a range of novel applications. However, the manufacturing process is complex and the production of defect-free parts with a high reliability is still a challenge. Thermography is a valuable tool for process surveillance, especially in metal AM processes. The high process temperatures allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range. Here, we compare the results of first measurements during the manufacturing process of a commercial laser metal deposition (LMD) setup using a MWIR camera with those from a VIS high-speed camera with band pass filter in the NIR range.
For metal-based additive manufacturing, sensors and measuring systems for monitoring of the energy source, the build volume, the melt pool and the component geometry are already commercially available. Further methods of optics, spectroscopy and non-destructive testing are described in the literature as suitable for in-situ application, but there are only a few reports on practical implementations.
Therefore, a new BAM project aims to develop process monitoring methods for the in-situ evaluation of the quality of additively manufactured metal components. In addition to passive and active thermography, this includes optical tomography, optical emission and absorption spectroscopy, eddy current testing, laminography, X-ray backscattering and photoacoustic methods. These methods are used in additive manufacturing systems for selective laser melting, laser metal deposition and wire arc additive manufacturing. To handle the sometimes huge amounts of data, algorithms for efficient preprocessing are developed and characteristics of the in-situ data are extracted and correlated to defects and inhomogeneities, which are determined using reference methods such as computer tomography and metallography. This process monitoring and fusion of data of different measurement techniques should result in a significant reduction of costly and time-consuming, destructive or non-destructive tests after the production of the component and at the same time reduce the production of scrap.
Here, first results of simultaneous measurements of optical emission spectroscopy and thermography during the laser metal deposition process using 316L as building material are presented. Temperature values are extracted from spectroscopic data by fitting of blackbody emission spectra to the experimental data and compared with results from a thermographic camera. Measurements with and without powder flow reveal significant differences between welding at a pristine metal surface and previously melted positions on the build plate, illustrating the significant influence of the partial oxidation of the surface during the first welding process on subsequent welding. The measurement equipment can either be mounted stationary or following the laser path. While first results were obtained in the stationary mode, future applications for online monitoring of the build of whole parts in the mobile mode are planned.
This research was funded by BAM within the focus area Material.
Aktuell werden Prozessmonitoringsysteme in der additiven Fertigung (AM) zur Überwachung der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren aus den Bereichen der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete Umsetzungen in die Praxis.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat ein neues Projekt gestartet, dessen Ziel die Entwicklung von Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Bauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen ist. Verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, wie Thermografie, optische Tomografie, optische Emissionsspektroskopie, Wirbelstromprüfung und Laminografie werden in verschiedenen AM-Prozessen zum Einsatz gebracht und die Ergebnisse fusioniert. Die evaluierten Ergebnisse werden mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik verglichen. Ziel ist eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion.
Hier wird das Projekt als Ganzes vorgestellt und der Fokus auf verschiedene Methoden der Temperaturmessung mit Hilfe der Thermografie gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und erste experimentelle Ergebnisse werden präsentiert.
Thermography is one on the most promising techniques for in-situ monitoring for metal additive manufacturing processes. The high process dynamics and the strong focus of the laser beam cause a very complex thermal history within the produced specimens, such as multiple heating cycles within single layer expositions. This complicates data interpretation, e.g., in terms of cooling rates. A quantity that is easily calculated is the time a specific area of the specimen is at a temperature above a chosen threshold value (TOT). Here, we discuss variations occurring in time-over-threshold-maps during manufacturing of a defect free cuboid specimen.
Die additive Fertigung von Metallen hat inzwischen einen Reifegrad erreicht, der einen Einsatz in vielen Industriezweigen ermöglicht oder in greifbare Nähe rückt. Die Vorteile liegen vor allem in der Möglichkeit der Fertigung komplexer Bauteile, die sich konventionell nicht oder nur sehr aufwändig produzieren lassen, sowie in der Fertigung von hochindividualisierten Bauteilen in kleinen Stückzahlen. Allerdings ist der additive Fertigungsprozess hoch komplex und fehleranfällig. Um eine insbesondere für sicherheitsrelevante Bauteile notwendige Qualitätskontrolle zu gewährleisten, ist aktuell aufwändige nachgelagerte ZfP der einzelnen Bauteile notwendig. Alternativen könnten die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung bieten, die aktuell aber noch keinen ausreichenden Entwicklungsstand erreicht haben. Industrielle Fertigungsanlagen bieten keine oder nur geringe Flexibilität und Zugänglichkeit, um umfangreiche Untersuchungen auf diesem Gebiet zu ermöglichen. Daher haben wir an der BAM ein System für den Prozess des selektiven Laserschmelzens (PBF-LB/M) entwickelt, genannt SAMMIE. Es bietet eine komplett offene Systemarchitektur mit voller Kontrolle über den Prozess und flexiblem Zugang zur Baukammer, z.B. optisch sowohl direkt als auch koaxial zum Fertigungslaser. In diesem Beitrag stellen wir das System vor und zeigen erste experimentelle Ergebnisse der In-situ-Überwachung und -prüfung: Thermografische Schmelzbadüberwachung, optische Tomografie und In-situ-Laserthermografie. SAMMIE ermöglicht uns grundlegende Untersuchungen, die helfen werden, die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung weiterzuentwickeln, neue Erkenntnisse über die additive Fertigung zu gewinnen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Prozesses zu verbessern.
Introduction to ProMoAM
(2021)
Additive manufacturing of metals offers the opportunity to build parts with a high degree of complexity without additional costs, opening a new space for design optimization. However, the processes are highly complex and due to the rapid thermal cycles involved, high internal stresses and peculiar microstructures occur, which influence the parts mechanical properties. To systematically examine the formation of internal stresses and the microstructure, in-process spatially resolved measurements of the part temperature are needed. If the emissivity of the inspected part is known, its thermodynamic temperature can be reconstructed by a suited radiometric model. However, in additive manufacturing of metals, the emissivity of the part surface is strongly inhomogeneous and rapidly changing due to variations of, e.g., the degree of oxidation, the material state and temperature. Thus, here, the applicability of thermography in the determination of thermodynamic temperatures is limited. However, measuring the process thermal radiation at different wavelengths simultaneously enables one to separate temperature and emissivity spatially resolved to obtain further insight into the process. Here, we present results of an initial study using multispectral thermography to obtain real temperatures and emissivities in the powderfree LMD process.
Additive manufacturing of metals gains increasing relevance in the industrial field for part production. However, especially for safety relevant applications, a suitable quality assurance is needed. A time and cost efficient route to achieve this goal is in-situ monitoring of the build process. Here, the BAM project ProMoAM (Process monitoring in additive manufacturing) is briefly introduced and recent advances of BAM in the field of in-situ monitoring of the L-PBF and the LMD process using thermography are presented.
Additive manufacturing (AM) opens the route to a range of novel applications.However, the complexity of the manufacturing process poses a challenge for the production of defect-free parts with a high reliability. Since process dynamics and resulting microstructures of AM parts are strongly influenced by the involved temperature fields, thermography is a valuable tool for process surveillance. The high process temperatures in metal AM processes allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range to detect the thermally emitted radiation from the process. In our work, we compare the results of first measurements during the manufacturing processes of a commercial laser metal deposition (LMD) setup and a laser beam melting (LBM) setup using a MWIR camera with those from a VIS high-speed camera with band pass filter in the NIR range.
Results of the project ProMoAM (Process monitoring in additive manufacturing) presented. Results from in-situ eddy current testing, optical emission spectroscopy, thermography, optical tomography as well as particle and gas emission spectroscopy are summarized and correlated to results from computed tomography for future in-situ defect detection.
Aktuell werden Prozessmonitoringsysteme in der additiven Fertigung (AM) zur Überwachung der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren aus den Bereichen der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete Umsetzungen in die Praxis.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat ein neues Projekt gestartet, dessen Ziel die Entwicklung von Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Bauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen ist. Verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, wie Thermografie, optische Tomografie, optische Emissionsspektroskopie, Wirbelstromprüfung und Laminografie werden in verschiedenen AM-Prozessen zum Einsatz gebracht und die Ergebnisse fusioniert. Die evaluierten Ergebnisse werden mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik verglichen. Ziel ist eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion.
Hier wird das Projekt als Ganzes vorgestellt und der Fokus auf verschiedene Methoden der Temperaturmessung mit Hilfe der Thermografie gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und erste experimentelle Ergebnisse werden präsentiert.
Additive manufacturing (AM) opens the route to a range of novel applications. However, the complexity of the manufacturing process poses a challenge to produce defect-free parts with a high reliability. Since process dynamics and resulting microstructures of AM parts are strongly influenced by the involved temperature fields and cooling rates, thermography is a valuable tool for process monitoring. Another approach to monitor the energy input into the part during process is the use of optical tomography.
Common visual camera systems reach much higher spatial resolution than infrared thermography cameras, whereas infrared thermography provides a much higher temperature dynamic. Therefore, the combined application increases the depth of information. Here, we present first measurement results using a laser beam melting setup that allows simultaneous acquisition of thermography and optical tomography from the same point of view using a beam splitter. A high-resolution CMOS camera operating in the visible spectral range is equipped with a near infrared bandpass filter and images of the build plate are recorded with long-term exposure during the whole layer exposing time. Thus, areas that reach higher maximum temperature or are at elevated temperature for an extended period of time appear brighter in the images. The used thermography camera is sensitive to the mid wavelength infrared range and records thermal videos of each layer exposure at an acquisition rate close to 1 kHz.
As a next step, we will use computer tomographic data of the built part as a reference for defect detection.
This research was funded by BAM within the focus area Materials.
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.
The industrial use of additive manufacturing for the production of metallic parts with high geometrical complexity and lot sizes close to one is rapidly increasing as a result of mass individualisation and applied safety relevant constructions. However, due to the high complexity of the production process, it is not yet fully understood and controlled, especially for changing (lot size one) part geometries.
Due to the thermal nature of the Laser-powder bed fusion (L-PBF) process – where parts are built up layer-wise by melting metal powder via laser - the properties of the produced part are strongly governed by its thermal history. Thus, a promising route for process monitoring is the use of thermography. However, the reconstruction of temperature information from thermographic data relies on the knowledge of the surface emissivity at each position on the part. Since the emissivity is strongly changing during the process due to phase changes, great temperature gradients, possible oxidation, and other potential influencing factors, the extraction of real temperature data from thermographic images is challenging. While the temperature development in and around the melt pool, where melting and solidification occur is most important for the development of the part properties. Also, the emissivity changes are most severe in this area, rendering the temperature deduction most challenging.
A possible route to overcome the entanglement of temperature and emissivity in the thermal radiation is the use of hyperspectral imaging in combination with temperature emissivity separation (TES) algorithms. As a first step towards the combined temperature and emissivity determination in the L-PBF process, here, we use a hyperspectral line camera system operating in the short-wave infrared region (0.9 µm to 1.7 µm) to measure the spectral radiance emitted. In this setup, the melt pool of the L-PBF process migrates through the camera’s 1D field of view, so that the radiation intensities are recorded simultaneously for multiple different wavelength ranges in a spatially resolved manner. At sufficiently high acquisition frame rate, an effective melt pool image can be reconstructed. Using the grey body approximation (emissivity is independent of the wavelength), a first, simple TES is performed, and the resulting emissivity and temperature values are compared to literature values. Subsequent work will include reference measurements of the spectral emissivity in different states allowing its analytical parametrisation as well as the adaption and optimisation of the TES algorithms. An illustration of the proposed method is shown in Fig.1.
The investigated method will allow to gain a deeper understanding of the L-PBF process, e.g., by quantitative validation of simulation results. Additionally, the results will provide a data basis for the development of less complex and cheaper sensor technologies for L-PBF in-process monitoring (or for related process), e.g., by using machine learning.
The project ProMoAM is presented. The goal of the project is to evaluate which NDT techniques or combination of techniques is suited for in-situ quality assurance in additive manufacturing of metals. To this end, also 3d-data fusion and visualization techniques are applied. Additional ex-situ NDT-techniques are used as references for defect detection and quantification. Feasability studies for NDT-techniques that are presently not applicable for in-situ use are performed as well.
The presentation gives a brief overview of the whole project and the different involved NDT-techniques.
Im additiven Fertigungsprozess Laser-Pulverbettschweißen wird Metallpulver lagenweise mittels eines Lasers aufgeschmolzen, um Bauteile zu generieren. Hierbei werden die Eigenschaften der Bauteile zu einem großen Teil durch die im Verlauf des Prozesses vorliegenden Temperaturen bestimmt. Dies beinhaltet unter anderem Materialeigenschaften wie Mikrostruktur, Härte, thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie die Ausbildung von Defekten wie z.B. Anbindungsfehler, Keyhole-Porosität (Gaseinschlüsse) oder auch die Ausbildung von Rissen. Zur Überwachung bzw. Vorhersage dieser Eigenschaften sowie zum Abgleich von Simulationen ist eine orts- und zeitaufgelöste Messung der Temperaturverteilung im Prozess daher von herausragender Bedeutung. In der Industrie kommen optische Verfahren, die auf der Messung der thermischen Strahlung basieren, regelmäßig zum Einsatz. Allerdings dienen diese bislang nur der statistischen Auswertung und der Identifikation von Abweichungen vom Normalprozess. Der quantitativen Auswertung zur Temperaturbestimmung stehen aktuell noch eine Vielzahl von Herausforderungen entgegen. Einerseits stellt der Prozess an sich hohe Anforderungen an die Datenerfassung und -auswertung: der Emissionsgrad verändert sich dynamisch im Prozess und lokale Schmauchbildung sorgt für potenzielle Absorption oder Streuung der thermischen Strahlung oder auch des Fertigungslasers. Weiterhin stellt der hochdynamische Prozess hohe Anforderungen an Orts- und Zeitauflösung der eingesetzten Sensorik (z.B. Kameratechnik). Andererseits erschweren an üblichen kommerziell erhältlichen Fertigungsanlagen praktische Hindernisse wie eine eingeschränkte optische Zugänglichkeit und der fehlende Zugriff auf die Anlagensteuerung sowie fehlende Möglichkeiten der Synchronisation der Messtechnik mit dem Prozess eine eingehende Untersuchung dieser Effekte.
Um letztere Hindernisse zu umgehen, wurde an der BAM die Forschungsanlage SAMMIE (sensor-based additive manufacturing machine) entwickelt. Einerseits bietet das System alle Möglichkeiten, die auch übliche kommerzielle Systeme bieten. Dies beinhaltet die Fertigung ganzer Bauteile (maximale Größe ca. 65mm x 45 mm x 30 mm) und den Einsatz einer Inertgasatmosphäre inkl. gefiltertem Schutzgasstrom. Andererseits bietet es aber auch einen besonders kompakten Bauraum, um die Sensorik möglichst nah an den Prozess führen zu können, sechs optische Fenster zur Prozessbeobachtung aus unterschiedlichen Winkeln und die Möglichkeit der Prozessbeobachtung koaxial zum Fertigungslaser. Des Weiteren besteht eine einfache Austauschbarkeit aller Fenster, Spiegel und Strahlteiler, um den gesamten optischen Pfad der aktuellen Messaufgabe flexibel anzupassen. Die komplette Anlagensteuerung ist eine Eigenentwicklung und bietet daher auch völlige Anpassbarkeit. Eine synchrone und frei konfigurierbare Triggerung diverser Sensoriken und synchrone Datenerfassung bieten maximale Kontrolle über die Sensorsteuerung.
Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Fertigungsanlage SAMMIE. Wissenschaftliche Ergebnisse sowie laufende Arbeiten an der Anlage werden in weiteren Beiträgen vorgestellt.
Additive manufacturing (AM) offers a range of novel applications. However, the manufacturing process is complex and the production of defect-free parts with high reliability and durability is still a challenge. Thermography is a valuable tool for process surveillance, especially in metal AM processes. The high process temperatures allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range. Here, we compare the results of measurements during the manufacturing process of a commercial laser metal deposition setup using a mid-wavelength-IR camera with those from a visual spectrum high-speed camera with band pass filter in the near-IR range.
Due to the rapid thermal cycles involved in additive manufacturing of metals, high internal stresses and peculiar microstructures occur, which influence the parts mechanical properties. To systematically examine their formation, in-process measurements of the temperature are needed. Since the part emissivity is strongly inhomogeneous and rapidly changing in the process, the applicability of thermography for the determination of thermodynamic temperatures is limited. Measuring the thermal radiation in different wavelengths simultaneously, temperature and emissivity can be separated. Here, we present results of a preliminary study using multispectral thermography to obtain real temperatures and emissivities in directed energy deposition (DED) processes.
Additive manufacturing offers a range of novel applications. However, the manufacturing process is complex and the production of almost defect-free parts with high reliability and durability is still a challenge. Thermography is a valuable tool for process surveillance, especially in metal additive manufacturing processes. The high process temperatures allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range. Here, we compare the results of measurements during the manufacturing process of a commercial laser metal deposition setup using a mid wavelength infrared camera with those from a short wavelength infrared camera and those from a visual spectrum high-speed camera with band pass filter in the near infrared range.
X-Ray computed tomography and traditional analysis of a capillary absorption test in cement pastes
(2020)
Water absorption testing has the attraction of being simple, relatively quick and use water as a fluid which is the key substance in the possible concrete deterioration. However, in spite of the advantages its application has remained empirical, except for the testing of resistance to frost, through the identification of the critical degree of saturation. Rilem TC-116 studied this test, among others, for the characterization of concrete resistance against transport through the concrete pore network. Results indicated a low discriminating ability of the absorbency for qualifying concrete resistance and then, it seemed necessary to try to move forward by making the link between the absorption testing and the concrete pore microstructure. In the present work, thanks to the X-Ray computed tomography, it is described the evolution of the water front in three paste-specimen with different w/c ratios (different pore radius distributions). The observations allowed us to deduce that all the pores start to fill simultaneously, but the bigger ones fill quicker and rise less. The saturation degree is measured along the height of the sample, showing that each pore size has a different rate which becomes constant after the first hour. Washburn’s equation was applied to the progressive advance of the water front, resulting in a pore radius much smaller than the one expected.
The contour scan strategies in laser powder bed fusion (LPBF) of Ti-6Al-4V were studied at the coupon level. These scan strategies determined the surface qualities and subsurface residual stresses. The correlations to these properties were identified for an optimization of the LPBF processing. The surface roughness and the residual stresses in build direction were linked: combining high laser power and high scan velocities with at least two contour lines substantially reduced the surface roughness, expressed by the arithmetic mean height, from values as high as 30 μm to 13 μm, while the residual stresses rose from ~340 to about 800 MPa. At this stress level, manufactured rocket fuel injector components evidenced macroscopic cracking. A scan strategy completing the contour region at 100 W and 1050 mm/s is recommended as a compromise between residual stresses (625 MPa) and surface quality (14.2 μm). The LPBF builds were monitored with an in-line twin-photodiode-based melt pool monitoring (MPM) system, which revealed a correlation between the intensity quotient I2/I1, the surface roughness, and the residual stresses. Thus, this MPM system can provide a predictive estimate of the surface quality of the samples and resulting residual stresses in the material generated during LPBF.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Despite of the significant advances in AM process optimization there is still a lack of experimental results and understanding regarding the mechanical behavior and microstructural evolution of AMparts, especially in loading conditions typical for safety-relevant applications e.g. in the aerospace or power engineering. Within the scope of the presented investigations, a characterization of the fatigue behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V in the low cycle fatigue regime was carried out in the range of 0.3 to 1.0 % strain amplitude at room temperature, 250°C and 400°C. The Ti-6Al-4V specimens are machined out of lean cylindrical rods, which were fabricated using powder laser metal deposition (LMD) with an improved build-up strategy. The improved strategy incorporates variable track overlap ratios to achieve a constant growth in the shell and core area. The low-cycle-fatigue behavior is described based on cyclic deformation curves and strain-based fatigue life curves. The lifetimes are fitted based on the Manson-Coffin-Basquin relationship. A characterization of the microstructure and the Lack-of-Fusion (LoF)-defect-structure in the as-built state is performed using optical light microscopy and high-resolution computed tomography (CT) respectively. The failure mechanism under loading is described in terms of LoF-defects-evolution and crack growth mechanism based on an interrupted LCF test with selected test parameters. After failure, scanning electron microscopy, digital and optical light microscopy and CT are used to describe the failure mechanisms both in the longitudinal direction and in the cross section of the specimens. The fatigue lives obtained are comparable with results from previous related studies and are shorter than those of traditionally manufactured (wrought) Ti-6Al-4V. In this study new experimental data and understanding of the mechanical behavior under application-relevant loading conditions (high temperature, cyclic plasticity) is gained. Furthermore, a better understanding of the role of LoFdefects and AM-typical microstructural features on the failure mechanism of LMD Ti-6Al-4V is achieved.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Despite of the significant advances in additive manufacturing (AM) process optimization there is still a lack of experimental results and understanding regarding the mechanical behavior and its relationship with the microstructural features of AM-parts, especially in loading conditions typical for safety-relevant applications. Within the scope of the presented ongoing investigations, a basic microstructural characterization, tensile tests at room and elevated temperature (400°C) as well as a characterization of the fatigue behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V in the low cycle fatigue regime are carried out in the as-built state. After failure, different techniques are used to describe the failure mechanisms of the specimens. The AM-Specimens are provided by the Fraunhofer institute for production systems and design technology and investigated at the BAM following the philosophy of the TF-Project AGIL.
Synthetic microswimmers mimicking biological movements at the microscale have been developed in recent years. Actuating helical magnetic materials with a homogeneous rotating magnetic field is one of the most widespread techniques for propulsion at the microscale, partly because the actuation strategy revolves around a simple linear relationship between the actuating field frequency and the propeller velocity.
However, full control of the swimmers’ motion has remained a challenge. Increasing the controllability of micropropellers is crucial to achieve complex actuation schemes that, in turn, are directly relevant for numerous applications. However, the simplicity of the linear relationship limits the possibilities and flexibilities of swarm control. Using a pool of randomly shaped magnetic microswimmers, we show that the complexity of shape can advantageously be translated into enhanced control. In particular, directional reversal of sorted micropropellers is controlled by the frequency of the actuating field. This directionality change is linked to the balance between magnetic and hydrodynamic forces. We further show an example of how this behavior can experimentally lead to simple and effective sorting of individual swimmers from a group. The ability of these propellers to reverse swimming direction solely by frequency increases the control possibilities and is an example for propeller designs, where the complexity needed for many applications is embedded directly in the propeller geometry rather than external factors such as actuation sequences.
Nach einer kurzen Einführung in die Schallemissionsprüfung und -Analyse wird ein Versuchsstand vorgestellt, der im Rahmen des Themenfeldprojektes Seal Waste Safe installiert wurde. Schwerpunkt des Vortrages sind die Schallemissionsmessungen an einem 150 l Demonstrator aus Salzbeton und einem weiteren aus alkali-aktiviertem Material. Neben der konventionellen Schallemissionsanaylse mit Aktivitäts- und Intensitätsparametern der Zeitsignale, werden auch frequenzbasierte Parameter zur Analyse andiskutiert.
Typically, the near-eutectic Al-Si alloys consist of highly interconnected three-dimensional network of the eutectic Silicon (Si) and intermetallics embedded into Aluminium (Al) matrix. For further improvement of the mechanical properties of such alloys, often, one single ceramic reinforcement phase, e.g. silicon carbide (SiC) or aluminium oxide (Al2O3) in the form of fibres or particles is added. However, hybrid reinforcements (fibres and particles) can further improve wear resistance and fracture toughness, and additionally, reduce anisotropy of the material. The engineering of metal matrix composites (MMC) for specific application requirements benefits from a comprehensive knowledge of the failure behaviour. Therefore, damage evolution under compression was investigated on:
- pure near-eutectic AlSi12CuMgNi matrix alloy
- type I: matrix reinforced with random-planar oriented Al2O3 short fibres (15 vol.%)
- type II: matrix reinforced with random-planar oriented Al2O3 short fibres (7 vol.%) and additional SiC particles (15 vol.%)
The analysis of damage mechanism was carried out in two rather independent but complementary studies. First, selected sister samples of every material were exposed to quasi-static compression (traverse control). The compression tests were interrupted at different strain levels. Miniature cylinders with a diameter of 1mm were extracted from the pre-strained samples and investigated by synchrotron computed tomography (SX-µCT) with a spatial resolution of about 0.7 µm. For the pure matrix alloy, microcracks are confined to the intermetallic particles and to the eutectic Si, hence no damage was observed in the Aluminium. The composite type II revealed a more effective strain accumulation (less damage) than type I at low plastic strain (up to 5 %), but a more catastrophic damage development due to cracking of the SiC clusters at higher strain levels.
The second approach to study the damage initiation and accumulation in the materials subjected to compressive load was Acoustic Emission (AE) analysis. In this case the in-situ monitoring of the acoustic emission signal was performed during compression tests on specimens with dimension of several mm. For all three material types, AE activity set at 2% strain. Differences in AE behaviour of the three materials was proven based on AE hitrate, signal peak amplitudes as well as weighted peak frequencies (WPF). Future work focuses on combination of AE and SX-µCT aiming for more detailed knowledge on damage mechanism of metal matrix composites.
Von den Zellulosefibrillen über die Zellwand und die Anordnung der Früh- und Spätholzzellen in einem Jahrring bis hin zum Balken von Natur aus ist Holz ein optimierter Hochleistungswerkstoff, der Handwerker, Architekten, Ingenieure und Wissenschaftler fasziniert und begeistert. Im digitalen Zeitalter werden neben Standard-Laborexperimenten zunehmend Modelle und Simulationen eingesetzt, um das Verhalten des Materials unter verschiedenen Belastungen besser zu verstehen und vorherzusagen. Dazu werden Zahlenwerte von Verformungen im subzellulären Maßstab benötigt, die nun in Experimenten an der TOMCAT-Beamline (TOmographic Microscopy and Coherent rAdiology ExperimenTs) der SLS (Swiss Light Source) gewonnen werden konnten: Holzproben aus Fichte ( Picea abies Karst.) mit einem Prüfquerschnitt von mindestens 1 mm² auf Zug oder Druck beansprucht. Die strukturellen Veränderungen auf Zellebene wurden mittels Computertomographie erfasst. Für die nachträgliche Analyse der 3D-Mikrostruktur von Holz wurde ein Ansatz entwickelt, der es ermöglicht, einzelne Zellen, die in mehreren Tomogrammen unterschiedlicher Belastungszustände erfasst wurden, zu verfolgen. Dabei wurden die Zellgeometrien und das subzelluläre Deformationsverhalten quantifiziert. Unter Zugbelastung beispielsweise verengt sich die Zellwanddicke um ca. 0,8%, das sind bei der gemessenen mittleren Zellwanddicke von 3,5 µm ca. 28 nm. Diese und andere Erkenntnisse liefern nun einen direkten numerischen Zusammenhang zwischen Verformungen der Holzmikrostruktur und dem daraus resultierenden makroskopischen Verhalten.
Acoustic emission testing
(2018)
Um die Versagensabläufe über die verschiedenen Skalen im Holzwerkstoff verfolgen zu können, werden Zugversuche an Lagenhölzern mittels Schallemissionsmessung überwacht. Synchron erfolgen In-situ-Messungen mit Digitaler Bildkorrelation bzw. Synchrotron-Mikro-Computertomographie. Die Kombination aller Ergebnisse wie auch die Anwendung der frequenzbasierten Mustererkennung und die Simulation ausgewählter Versuche zielen auf die Identifizierung zugrunde liegender Mechanismen hin. Abschließend werden Ansätze für ein Monitoring von Holzstrukturen diskutiert.
Against the background of sustainable resource management and efficiency, wood-based materials are currently experiencing a revival and, among others, plywood, Laminated Veneer Lumber and glued laminated timber are becoming increasingly more important in the building sector. Even though these materials are so-called engineered products, the element wood is naturally grown with intrinsic variability in mechanical properties and requires professional handling on-site. Otherwise, load-bearing structures made of wood materials may entail certain risks. Critical situations can, in principle, be avoided by implementing a structural health monitoring system into components or structures made from wood material. The aim is to indicate accumulation of mechanical damage and to eliminate or at least significantly reduce the risk of unexpected failure. Toward this purpose, the failure behavior of several layered wood materials under quasi-static tension was investigated in laboratory-scale experiments by means of acoustic emission (AE) measurement. Based on spectral analysis and pattern recognition, two classes of AE signals are identified for each investigated lay-up that are characterized by either low or high frequency contents in the respective power spectra. AE activity and intensity of both signal classes are analyzed, striving for predictors appropriate for AE monitoring concepts.
Acoustic Emission
(2018)
Das Phänomen Schallemission (eng. Acoustic Emission, AE) ist eine Begleiterscheinung bei aktiven Mechanismen und Prozessen wie sie in Werkstoffen auftreten, die einer Belastung durch Krafteinwirkung oder durch Änderung der Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Plastische Verformung, Risswachstum, Korrosion oder der Übergang zu einer anderen Phase generieren u.a. transiente elastische Wellen, die sich im Werkstoff und an der Materialoberfläche ausbreiten. Auftretende Auslenkungen von wenigen hundert Pikometern sind mit piezo-elektrischen AE Sensoren detektierbar. Aufzeichnungsraten von bis zu 40 MHz ermöglichen dabei zeitliche Auflösungen von einigen Nano- bis Mikrosekunden. Die Dechiffrierung der detektierten Informationen ist für die Material- und Versagenscharakterisierung sowie für Anwendungen in der Struktur- oder Prozessüberwachung ein zentraler Forschungsschwerpunkt.
Nach einem kurzen Überblick zu den Grundlagen werden ausgewählte Ansätze der AE Methode vorgestellt und diskutiert:
1) AE Monitoring von Pipelines als Referenzmessung für die Entwicklung eines akustischen faseroptischen Monitorings (AGIFAMOR)
2) Schwellwertfreie AE Messung im 4-Punkt-Rohrbiegeprüfstand BAM_9.1 (AGIFAMOR)
3) Kombination von AE mit Röntgen-Mikrotomografie und die Anwendung der frequenzbasierten Mustererkennung ermöglichen eine Zuordnung von AE und Mechanismen (Ergebnisse aus dem SNSF Projekt Nr. 127'134, Baensch 2014, Diss. ETH No. 22372)
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.
A steel pipeline segment of 2.5 m length was subjected to quasi-static four-point bending load in three steps for studying the initial cracking and damage accumulation based on the Acoustic Emission (AE) technique and by the direct current potential drop (DCPD) technique. For the latter, a new post-test analysis method was established.
AE is found more sensitive to crack initiation than DCPD. Formation of mesoscopic and macroscopic cracks as well as their closure and the resulting friction generate weighted peak frequencies below 400 kHz, whereas microscopic cracking produces AE with broad band spectra identifiable by weighted peak frequencies above 400 kHz. Critical states alike the maximum load level and the leak opening were accompanied by peak amplitudes above 85 dBAE. This rather fundamental study provides a data base for possibly developing advanced strategies of detection and alarm systems based on acoustic monitoring of pipelines, or at least, steel structures.
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.
Von den Zellulosefibrillen über die Zellwand und die Anordnung der Früh- und Spätholzzellen in einem Jahrring bis hin zum Balken von Natur aus ist Holz ein optimierter Hochleistungswerkstoff, der Handwerker, Architekten, Ingenieure und Wissenschaftler fasziniert und begeistert. Im digitalen Zeitalter werden neben Standard-Laborexperimenten zunehmend Modelle und Simulationen eingesetzt, um das Verhalten des Materials unter verschiedenen Belastungen besser zu verstehen und vorherzusagen. Dazu werden Zahlenwerte von Verformungen im subzellulären Maßstab benötigt, die nun in Experimenten an der TOMCAT-Beamline (TOmographic Microscopy and Coherent rAdiology ExperimenTs) der SLS (Swiss Light Source) gewonnen werden konnten: Holzproben aus Fichte ( Picea abies Karst.) mit einem Prüfquerschnitt von mindestens 1 mm² auf Zug oder Druck beansprucht. Die strukturellen Veränderungen auf Zellebene wurden mittels Computertomographie erfasst. Für die nachträgliche Analyse der 3D-Mikrostruktur von Holz wurde ein Ansatz entwickelt, der es ermöglicht, einzelne Zellen, die in mehreren Tomogrammen unterschiedlicher Belastungszustände erfasst wurden, zu verfolgen. Dabei wurden die Zellgeometrien und das subzelluläre Deformationsverhalten quantifiziert. Unter Zugbelastung beispielsweise verengt sich die Zellwanddicke um ca. 0,8%, das sind bei der gemessenen mittleren Zellwanddicke von 3,5 µm ca. 28 nm. Diese und andere Erkenntnisse liefern nun einen direkten numerischen Zusammenhang zwischen Verformungen der Holzmikrostruktur und dem daraus resultierenden makroskopischen Verhalten.
One of the biggest problems in high-voltage silicone rubber insulation cable accessories is the damage on electrical treeing, initiated by partial discharges. The electrical treeing starts at unavoidable imperfections inside the material or at interfaces. The damage is usually irreversible and leads around the starting points to a partial destruction of the material. To prolong the lifetime and thereby to increase the assurance of the structural component commonly, for mechanical improvement constituted filler is modified to obtain a self-healing silicone rubber. Damage mechanism is analysed to address the filler to the damage mode.
Adhesively bonded composite joints can develop voids and porosity during fabrication, leading to stress concentration and a reduced load-carrying capacity. Hence, adhesive porosity analysis during the fabrication is crucial to ensure the required quality and reliability. Ultrasonic-guided wave (UGW)-based techniques without advanced signal processing often provide low-resolution imaging and can be ineffective for detecting small-size defects. This article proposes a damage imaging process for adhesive porosity analysis of bonded composite plates using UGWs measured by scanning laser Doppler vibrometer (LDV). To implement this approach, a piezoelectric transducer is mounted on the composite joint specimen to generate UGWs, which are measured over a densely sampled area. The signals obtained from the scan are processed using the proposed signal processing in different domains. Through the utilization of filter banks in frequency and wavenumber domains, along with the root-mean-square calculation of filtered signals, damage images of the adhesive region are obtained. It has been observed that different filters provide information related to different void sizes. Combining all the images reconstructed by filters, a final image is obtained which contains damages of various sizes. The images obtained by the proposed method are verified by radiography results and the porosity analysis is presented. The results indicate that the proposed methodology can detect the pores with the smallest detectable pore area of 2.41 mm^2, corresponding to a radius of 0.88 mm, with an overall tendency to overestimate the pore size by an average of 11%.
In dentistry it is of great interest to achieve good sealing interzones between tooth tissue and restoration materials to avoid, e. g. secondary caries. μXRF and CμXRF are suitable to investigate the elemental composition at these interzones in respect to diffusion of elements. Synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR) and μCT measurements deliver highly resolved structural information and make structural changes such as micro cracks within the filling and the tooth tissue visible. The presented measurements are part of the DFG funded project IXdent (Integrative X-ray techniques for chemical and structural characterizations of dental interzones.)
The depth-resolved CμXRF measurements are affected by absorption effects, making a quantitative investigation of the interzone in depth difficult. Full 3D quantification of heterogenous samples requires a complete model including dark matrix and density for each voxel. The combination of different techniques paves the way for a quantitative analysis of dental interzones.
Within the DFG project ‘IXdent’, first results have been achieved on 2D µXRF and X-ray refraction radiography measurements as well as combined 3D confocal µXRF and µXCT investigations at the interface between filling and bovine tooth tissue. The benefit of multiple analytical techniques and the combination of structural and elemental analysis will be demonstrated.
Nowadays, teeth are not directly extracted when tooth decay occurs. Whenever treatment of the affected tooth is possible, the carious region is replaced with a suitable filling. The filling material differs according to the position and size of the cavity. Since the restoration will remain in the tooth for many years, a well adhering and sealing interface between filling and healthy tooth tissue is needed. There is continuous development of new materials, but intensive studies of this complex interface between filling and healthy tooth are still lacking. Little is known about possible diffusion of elements from dental materials into healthy tooth tissue forming a socalled interzone with specific chemical and structural properties.
The combination of different analytical X-ray methods at synchrotron radiation facilities and in the laboratory enables an extensive structural and elemental investigation of such interzones. While X-ray fluorescence techniques and X-ray absorption spectroscopy yield elemental distributions and localized chemical speciation, X-ray diffraction, refraction and computed tomography add structural information to the full 3D analysis of model and real life tooth
samples. Within two DFG funded projects, we develop adapted methodologies and investigate
micro-chemical changes in interzones which we hypothesize may lead to sclerotic dentine.
Confocal micro-X-ray fluorescence (micro-XRF) spectroscopy facilitates three-dimensional (3D) elemental imaging of heterogeneous samples in the micrometer range. Laboratory setups using X-ray tube excitation render the method accessible for diverse research fields but interpretation of results and quantification remain challenging. The attenuation of X-rays in composites depends on the photon energy as well as on the composition and density of the material. For confocal micro-XRF, attenuation severely impacts elemental distribution information, as the signal from deeper layers is distorted by superficial layers. Absorption correction and quantification of fluorescence measurements in heterogeneous composite samples have so far not been reported. Here, an absorption correction approach for confocal micro-XRF combining density information from microcomputed tomography (micro-CT) data with laboratory X-ray absorption spectroscopy (XAS) and synchrotron transmission measurements is presented. The energy dependency of the probing volume is considered during the correction. The methodology is demonstrated on a model composite sample consisting of a bovine tooth with a clinically used restoration material.
Towards Interoperability: Digital Representation of a Material Specific Characterization Method
(2022)
Certain metallic materials gain better mechanical properties through controlled heat treatments. For example, in age-hardenable aluminum alloys, the strengthening mechanism is based on the controlled formation of nanometer sized precipitates, which represent obstacles to dislocation movement. Precise tuning of the material structure is critical for optimal mechanical behavior in the application. Therefore, analysis of the microstructure and especially the precipitates is essential to determine the ideal parameters for the interplay of material and heat treatment. Transmission electron microscopy (TEM) is utilized to identify precipitate types and orientations in a first step. Dark-field imaging (DF-TEM) is often used to image the precipitates and to quantify their relevant dimensions.
The present work aims at the digital representation of this material-specific characterization method. Instead of a time-consuming, manual image analysis, an automatable, digital approach is demonstrated. Based on DF-TEM images of different precipitation states of a wrought aluminum alloy, a modularizable digital workflow for quantitative precipitation analysis is presented. The integration of this workflow into a data pipeline concept will also be discussed. Thus, by using ontologies, the raw image data, their respective contextual information, and the resulting output data from the quantitative precipitation analysis can be linked in a triplestore. Publishing the digital workflow and the ontologies will ensure the reproducibility of the data. In addition, the semantic structure enables data sharing and reuse for other applications and purposes, demonstrating interoperability.
The presented work is part of two digitization initiatives, the Platform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de) and Materials-open-Laboratory (Mat-o-Lab).
The amount of data generated worldwide is constantly increasing. These data come from a wide variety of sources and systems, are processed differently, have a multitude of formats, and are stored in an untraceable and unstructured manner, predominantly in natural language in data silos. This problem can be equally applied to the heterogeneous research data from materials science and engineering. In this domain, ways and solutions are increasingly being generated to smartly link material data together with their contextual information in a uniform and well-structured manner on platforms, thus making them discoverable, retrievable, and reusable for research and industry. Ontologies play a key role in this context. They enable the sustainable representation of expert knowledge and the semantically structured filling of databases with computer-processable data triples.
In this perspective article, we present the project initiative Materials-open-Laboratory (Mat-o-Lab) that aims to provide a collaborative environment for domain experts to digitize their research results and processes and make them fit for data-driven materials research and development. The overarching challenge is to generate connection points to further link data from other domains to harness the promised potential of big materials data and harvest new knowledge.
In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
Multi-functional coatings are a key requirement for surface engineering. General demands are adhesion and long-term stability under service conditions. The modification of surfaces by means of PVD-, ECD- or hybrid processes allows an add-on functionalization of surfaces by a huge diversity of materials with both lateral and vertical micro-/nano-designs. This fact is a prerequisite for micro- and sensor-systems in lab-on-chip and sensor-on-chip technology. Two layer-based sensor principles are presented, i.e. surface plasmon resonance enhanced spectroscopic ellipsometry (SPREE) for detection of hazardous gases and magneto-optical sensors on smart-coated fiber Bragg gratings (FBG) for structural health monitoring (SHM).
The interdependence of substrate features, coating properties, and layer design is discussed firstly for gas sensitivity and selectivity of SPREE-sensors and secondly for sensitivity and selectivity of magneto-strictive coatings to mechanical strain or external magnetic fields resulting in an optical displacement of the Bragg wavelength of FBG-sensors. Moreover, generic features such long-term stability, crucial process-related fabrication conditions, and effects of operational and environmental parameters are discussed with respect to the sensor performance. It has been shown that appropriate layer design and adapted selection of layer materials (SnOx/Au, Fe/Ni:SnOx/Au; Ni/NiFe-Cu-Cr) result in improved sensor parameters and may enable new sensor applications.
In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
Since metal additive manufacturing (AM) becomes more and more established in industry, also the cost pressure for AM components increases. One big cost factor is the quality control of the manufactured components. Reliable in-process monitoring systems are a promising route to lower scrap rates and enhance trust in the component and process quality.
The focus of this contribution is the presentation and comparison of two optical tomography based multi measurand in-situ monitoring approaches for the L-PBF process: the bicolor- and the RGB-optical tomography. The classical optical tomography (OT) is one of the most common commercial in-situ monitoring techniques in industrial L-PBF machines. In the OT spatial resolved layer-images of the L-PBF process are taken from an off-axis position in one near infrared wavelength window. In addition to the explanatory powers classical OT, both here presented approaches enable the determination of the maximum surface temperature. In contrast to thermography that may also yield maximum temperature information, the needed equipment is significantly cheaper and offers a higher spatial resolution. Both approaches are implemented at a new in-house developed L-PBF system (Sensor-based additive manufacturing machine - SAMMIE). SAMMIE is specifically designed for the development and characterization of in-situ monitoring systems and is introduced as well.
For a deep process understanding of the laser powder bed fusion process (PBF-LB/M), recording of the occurring surface temperatures is of utmost interest and would help to pave the way for reliable process monitoring and quality assurance. A notable number of approaches for in-process monitoring of the PBF-LB/M process focus on the monitoring of thermal process signatures. However, due to the elaborate calibration effort and the lack of knowledge about the occurring spectral directional emissivity, only a few approaches attempt to measure real temperatures. In this study, to gain initial insights into occurring in the PBF-LB/M process, measurements on PBF-LB/M specimens and metal powder specimens were performed for higher temperatures up to T = 1290 °C by means of the emissivity measurement apparatus (EMMA) of the Center for Applied Energy Research (CAE, Wuerzburg, Germany). Also, measurements at ambient temperatures were performed with a suitable measurement setup. Two different materials—stainless steel 316L and aluminum AlSi10Mg—were examined. The investigated wavelength λ ranges from the visible range (λ-VIS = 0.40–0.75 µm) up to the infrared, λ = 20 µm. The influence of the following factors were investigated: azimuth angle φ, specimen temperature TS, surface texture as for PBF-LB/M surfaces with different scan angles α, and powder surfaces with different layer thicknesses t.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), as one of the most promising production process in the field of metal additive manufacturing, enables traditional constructive solutions to be rethought and the manufacturing of optimized components according to the "form follows function" principle. The most significant obstacle for a broad industrial application of the L-PBF process is the inadequate quality assurance during the manufacturing process so far, leading to high production costs. Although several mainly camera based commercial in-process monitoring systems are already available, a deep understanding of the interpretation of the monitored data and correlation with actual defects is still lacking. One reason for this is the reduction of the complex process signature to just one measurement value.
The focus of this contribution is the presentation of the multispectral optical tomography as alternative to single measurand in-situ monitoring systems. The potential of this approach is hereby shown on L-PBF printed samples with induced process instabilities. Beyond that, an in-house developed L-PBF printer for further testing of multi-sensor in-situ monitoring systems is presented.
Die metallische additive Fertigung hat in den letzten Jahren in der industriellen Fertigung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei dominiert das Laser-Pulverbettschweißen von Metallen (PBF/LB-M) die Fertigung von kleinformatigen Bauteilen mit hoher Oberflächengüte. Die anspruchsvolle und kostspielige Qualitätssicherung stellt aber weiterhin ein Hindernis für eine breitere und kostengünstigere Anwendung der additiven Fertigung dar. Dies resultiert teilweise aus fehlenden zuverlässigen In-situ-Monitoringsystemen. Belastbarere Prozessüberwachungsdaten würden eine oft erforderliche teure nachgelagerte Prüfung mittels Computertomografie entbehrlich machen. Die Aufzeichnung der thermischen Signaturen des Aufbauprozess mittels Thermografie-Kameras zeigen hier vielversprechende Ergebnisse. Eine Korrelation zu auftretender Porosität, Delaminationen und Deformationen scheinen möglich. Die geringe räumliche Auflösung und die hohen Anschaffungskosten für thermografische Kamerasysteme stehen jedoch einer größeren industriellen Nutzung im Wege.
Ein bereits industriell angewendeter Ansatz zur in-Situ Überwachung des PBF-LB/M Prozesses ist die Optische Tomografie (OT). Hierbei wird die emittierte Prozessstrahlung jeder Bauteilschicht mittels einer hochauflösenden günstigen Kamera für den sichtbaren Wellenlängenbereich in einer Langzeitbelichtung dokumentiert. Die zeitliche Information der emittierten Strahlung geht hierbei verloren. Der gesamte Bauprozess kann jedoch in einem vergleichsweise kleinen Datensatz dokumentiert werden (ein Bild pro Schicht). Eine direkte Korrelation zu auftretenden Defekten gestaltet sich aufgrund der reduzierten thermischen Informationsdichte jedoch schwierig.
In diesem Beitrag soll deshalb das Prinzip der Multispektralen Optischen Tomografie (MOT) vorgestellt und erste Messergebnisse an der Forschungsanlage SAMMIE diskutiert werden. Bei der MOT handelt es sich um eine Übertragung des Prinzips der Quotientenpyrometrie auf das etablierte Verfahren der Optischen Tomografie. Die auftretende Prozessstrahlung wird in mehreren Wellenlängenbereichen ortsaufgelöst über die gesamte Bauplattform erfasst und zeitlich in einer Langzeitbelichtung integriert. Hierbei kommen günstige Kamerasysteme für den sichtbaren Wellenlängenbereich zum Einsatz.
Das erfasste Signal I jedes Bildpixels für jeden separat erfassten Wellenlängenbereich kann als Maß für das zeitliche Integral der spezifischen Ausstrahlung M des Schmelzbades in diesem Wellenlängenbereich gesehen werden. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz hängt die abgestrahlte thermische Leistung P eines idealen Schwarzen Körpers in der vierten Potenz von dessen absoluten Temperatur T ab. Wird nur, wie z.B. bei der klassischen OT angewendet, der nahinfrarote Wellenlängenbereich betrachtet, lässt sich mit dem Planck’schen Strahlungsgesetz sogar eine Proportionalität zur siebten Potenz der Temperatur zeigen. Deshalb liegt ein starker Einfluss der maximal auftretenden Oberflächentemperatur Tmax auf das erfasste Messsignal vor.
Das erfasste Signal I wird aber auch durch die spektrale Transmission τ der verwendeten optischen Komponenten des Kamera-Setups, z.B. Filter und Objektive, durch die spektrale Sensitivität S der verwendeten Kamera-Sensoren und den nur sehr schwer zu bestimmenden Emissionsgrad ε der emittierenden (flüssigen) Oberfläche beeinflusst.
In einer ersten Näherung wird das Schmelzbad hier als Graukörper, also ein Körper mit wellenlängenunabhängigem Emissionsgrad ε, betrachtet. Basierend auf dieser Annahme und vermessenen optischen Eigenschaften des verwendeten Systems ist es möglich, eine erste Schätzung der maximalen Oberflächentemperatur Tmax vorzunehmen, selbst ohne genaue Kenntnis des tatsächlichen Emissionsgrades ε. Dies wird durch die Anwendung des Planck‘schen Strahlungsgesetzes und die Quotienten Bildung aus den einzelnen erfassten Signalen I ermöglicht.
Auch bei diesem Verfahren geht die zeitliche Information einer Schicht, also das Aufwärm- und Abkühlverhalten des Schmelzbades, verloren. Zudem sind die Messergebnisse in Hinblick auf tatsächlich gemessene „maximal auftretende Oberflächentemperatur“ mit gebotener Zurückhaltung zu interpretieren. Trotzdem konnten erste Ergebnisse bereits zeigen, dass die MOT-Daten auch in Bereichen mit Doppelbelichtungen (das teilweise notwendige mehrfache Scannen eines Bereiches mittels des Fertigungslasers) im Gegensatz zur klassischen OT erwartbare Maximaltemperaturen liefern. Abbildung 1 zeigt das erfasste Messergebnis für drei aufeinanderfolgende Schichten eines Bauteils einmal mit MOT (links) und einmal mit einfacher OT (rechts). Deutlich zu erkennen ist das durch die doppelte Belichtung hohe Signal bei der OT. Die Daten der MOT zeigen hier keine erhöhten Werte.
Um die ermittelten Temperaturwerte mittels MOT besser einordnen zu können, sind u.a. vergleichende Messungen an Referenzmaterialien geplant. Um die Auswertung der gemessenen Daten zu verbessern, wird zudem der Zeitverlauf des Abkühlens und Aufheizens des Schmelzbades sowie die Einflüsse von Prozessbeiprodukten wie Schmauch und Spritzer näher untersucht. Auch werden Messungen zum Emissionsgrad ε an additiv gefertigten Proben und Metallschmelzen vorgenommen.
Laser powder bed fusion of metallic components (PBF-LB/M) is gaining acceptance in industry. However, the high costs and lengthy qualification processes required for printed components create the need for more effective in-situ monitoring and testing methods. This article proposes multispectral Optical Tomography (OT) as a new approach for monitoring the PBF-LB/M process. Compared to other methods, OT is a low-cost process monitoring method that uses long-time exposure imaging to observe the build process. However, it lacks time resolution compared to expensive thermographic sensor systems. Monochromatic OT (1C-OT) is already commercially available and observes the building process layer-wise using a single wavelength window in the NIR range. Multispectral OT (nC-OT) utilizes a similar setup but can measure multiple wavelength ranges per location simultaneously. By comparing the classical 1C-OT and nC-OT approaches, this article examines the advantages of nC-OT (two channel OT and RGB-OT) in reducing the false positive rate for process deviations and approximating maximum temperatures for a better comparison between different build processes and materials. This could ultimately reduce costs and time for part qualification. The main goal of this contribution is to assess the advantages of nC-OT compared to 1C-OT for in-situ process monitoring of PBF-LB/M.
For a deep process understanding of the laser powder bed fusion process (PBF-LB/M), recording of the occurring surface temperatures is of utmost interest and would help to pave the way for reliable process monitoring and quality assurance. A notable number of approaches for in-process monitoring of the PBF-LB/M process focus on the monitoring of thermal process signatures. However, due to the elaborate calibration effort and the lack of knowledge about the occurring spectral directional emissivity, only a few approaches attempt to measure real temperatures. In this study, to gain initial insights into occurring in the PBF-LB/M process, measurements on PBF-LB/M specimens and metal powder specimens were performed for higher temperatures up to T = 1290 °C by means of the emissivity measurement apparatus (EMMA) of the Center for Applied Energy Research (CAE, Wuerzburg, Germany). Also, measurements at ambient temperatures were performed with a suitable measurement setup. Two different materials—stainless steel 316L and aluminum AlSi10Mg—were examined. The investigated wavelength λ ranges from the visible range (λ-VIS= 0.40–0.75 µm) up to the infrared, λ = 20 µm. The influence of the following factors were investigated: azimuth angle φ, specimen temperature TS, surface texture as for PBF-LB/M surfaces with different scan angles α, and powder surfaces with different layer thicknesses t.
Die zeitaufgelöste THz-Spektroskopie (THz-TDS) operiert mit elektromagnetischen Impulsen, die ein Amplitudenspektrum im unteren THz-Bereich aufweisen. Die THz-TDS ist in der Lage, dielektrische Volumina zerstörungs- und kontaktfreie zu durchstrahlen. Um eine 3D-THz Bildung zu ermöglichen, wurde für die THz-TDS ein rechnergestütztes Mess- und Rekonstruktionsverfahren (THz-TDSAFT) entwickelt, mit dem es gelingt, unter Verwendung der im Zeitbereich registrierten THz-TDS-Daten das Volumeninnere in Form eines dreidimensionalen Tomogramms zu rekonstruieren. Die THz-TD-SAFT basiert auf die für die Ultraschalltechnik entwickelte Synthetische Apertur Fokussierung (SAFT) bzw. des heuristisch begründeten Algorithmus des Synthetischen Apertur Radars (SAR). Anhand von Beispielen wird die Möglichkeiten der THz-TD-SAFT demonstriert und nachgewiesen, dass mit dem Rekonstruktionsansatz die künstlich eingebauten Fehlstellen bezüglich der Position und Größe geometrisch richtig im Tomogramm abgebildet werden können.
THz and mid IR spectroscopy of high-molecular PE (HMW) and ultra high-molecular PE (UHMW) reveals modifications of the molecular structure. Characteristic absorption bands are changed if the two materials are exposed by γ-Co60 radiation up to 600 kGy and subsequently stored at an annealing temperature of 398 K until for 729 days. UHMW-PE and HMW-PE behave differently during the ageing process because of their molecular weight and inherent structure distinctions. The spectroscopic data offer characteristic absorption bands, which have been used to describe the complete ageing process in more detail. For instance, the integral absorption in the B1u THz-region can be used to describe quantitatively the reduction of crystallinity. The formation of trans vinylene unsaturation and the decay of vinyl during ageing can be observed in detail in the mid IR range.
Novel Technique for On-Line Monitoring of the Curing Process of Fiber Reinforced Polymer Composites
(2020)
A specially designed experimental set up has been integrated into a commercially available FT IR Spectrometer for ATR experiments on Epoxy Systems. Representative data of far infrared spectra measured during the curing process at different temperatures of an epoxy system will be presented in dependency of the curing situation. The experiments and the selected set up are discussed to demonstrate its potential for future monitoring and ageing control applications during a manufacturing process of polymer composites.
Casks for storage and transportation of used fuel rods of radioactive material are equipped with polyethylene (PE) for improved neutron flux shielding. The embedded PE structures are additionally exposed to gamma radiation and heat flow due to the specific high activity of the fission products. 60Co γ-radiation and heat load experiments at 125°C has been performed to evaluate PE degradation during the ageing process. FAR-FTIR-experiments were subsequently performed at differently aged PE test samples to characterize the oxidation process and morphological changes in the samples during the ageing at 125°C.
THz-TDS Systeme können zeitaufgelöst die Amplitude der elektrischen Feldstärke E(t) detektieren. Der Vorteil des verwendeten Messprinzips besteht in dem gleichzeitigen Nachweis von Amplitude und Phase des zwischen der Antenne und dem Detektor sich ausbreitenden elektrischen Feldes eines Impulses. Befindet sich im Strahlengang dielektrisches Material, dann ändern sich die Laufzeit (Time of Flight) und Amplitude des Impulses im Vergleich zum freien Strahlengang.
Planare Fehlstellen, wie Risse oder delaminierte Schichten in Kompositen sowie mehrschichtig aufgebaute Dielektrika können als optische Mehrschichtsysteme aufgefasst werden, mit denen sich die beobachteten Transmissions- und Reflektionseigenschaften im THz-Bereich erklären lassen.
Bei Entwicklung eines optischen Schichtenmodells für das jeweilig ausgewählte Schichtensystem lassen sich zeitliche Impulsverläufe in Abhängigkeit von der Schichtenfolge- und deren –dicke berechnen.
Durch den Fit der experimentell gewonnener Daten mit den aus dem Schichtenmodell berechneten Impulssequenzen lassen sich unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate Schichtdicken oder die Brechungsindizes der einzelnen Schichten im jeweiligen Testobjekt bestimmen. Anhand eines repräsentativen Beispiels wird die Entwicklung des Schichtenmodells erklärt und die erreichten Genauigkeiten zur Bestimmung der Schichtdicken und Brechungsindizes anhand selbst entwickelter Testkörper diskutiert.
THz and mid IR spectroscopy of high-molecular PE (HMW) and ultra high-molecular PE (UHMW) reveals modifications of the molecular structure. Characteristic absorption bands are changed if the two materials are exposed by -Co60 radiation up to 600 kGy and subsequently stored at an annealing temperature of 398 K until for 729 days. UHMW-PE and HMW-PE behave differently during the ageing process because of their molecular weight and inherent structure distinctions. The spectroscopic data offer characteristic absorption bands, which have been used to describe the complete ageing process in more detail. For instance, the integral absorption in the B1u THz-region can be used to describe quantitatively the reduction of crystallinity. The formation of trans vinylene unsaturation and the decay of vinyl during ageing can be observed in detail in the mid IR range.
THz and mid IR spectroscopy of high-molecular PE (HMW) and ultra high-molecular PE (UHMW) reveals modifications of the molecular structure. Characteristic absorption bands are changed if the two materials are exposed by γ-Co60 radiation up to 600 kGy and subsequently stored at an annealing temperature of 398 K until for 729 days.
Up to now THz-TDS-systems aren’t considered to be nondestructive testing facilities for large scale industrial applications, despite it was proven that they provide a comprehensive set of quality parameters. A practical approach to bring THz-TDS in addition to already existing testing systems into the industrial mainstream is systematic development of future test procedures and test facilities for dielectrics. For this purpose polyeth-ylene test specimen with introduced artefacts were designed, to evaluate the detection sensitivity of Time of Flight measurements based on dielectrics. SAFT reconstructed tomograms are presented which visualize the sizes and location of artificially introduced flaws.
aRTist is an easy-to-use and practical simulation tool to generate realistic radiographic images from CAD objects. A dedicated add-on module makes CT simulation easy (virtual computer tomography). Just choose the number of projections.
Unlike in the practice, simulation can separately image the primary and scatter radiation. This allows studying the scattering artefacts in CT (gray-level variations in regions of homogeneous material).
Virtual CT acquisition and reconstruction of complex and noisy scanning trajectories in aRTist
(2019)
In modern CT imaging, simulation has become an important tool to minimize cost- and time-intensive measurements. It is increasingly used to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for educational purposes. We extended the CT simulation software ‘aRTist’ with a module to set-up arbitrary trajectories including disturbing influences during the scan. Moreover, such geometric deviations can be compensated by the internal reconstruction tool.
3D images such as those produces by X-ray tomography can provide a wealth of information on the internal structure of materials, but quantification of specific geometrical or topological characteristics linked to some bulk physical property is far from being straightforward. This study focuses on methods to quantify the differences in physical properties as a function of direction, i.e. their anisotropy, and how it can be linked to measures of anisotropy of the internal structure of the material. The auto-correlation function gives a similarity measure in the volume as a function of distance and direction. This is a cross-correlation of the image with itself fast to compute and relatively insensitive to noise. It is why we focus on this method to compare with the physical property of our DPF material. Diesel Particulate Filter (DPF) materials are porous ceramics that; a) can be used at very high temperatures; b) have very good thermal shock resistance; c) are inert; d) can be manufactured with tailored porosity. Their usual way of production consists of the extrusion of a slurry into the desired filter shape, with successive ceramming at high temperature. This process causes anisotropy at both microscopic and macroscopic levels.
We show how the combination of the spatial autocorrelation function and permeability calculations, applied to 3D X-ray computed tomography data, can yield quantitative information on the anisotropy of both meso-structure and fluid flow in Diesel Particulate Filter (DPF) materials, such as Cordierite and SiC. It was found that both the degree of anisotropy, and the orientation of the permeability and meso-structure are similar, but not identical. We confirm that the morphological anisotropy of cordierite materials is weak, and clearly influenced by the extrusion process that determines the main direction of anisotropy. Properties of the autocorrelation function are discussed and it is shown why estimating the characteristic length of real meso-structures (grain or ?pore? size) is not possible. Finally, we show that the autocorrelation function applied on grey-level images can give a good estimate of the degree of anisotropy even with limited resolution.
Bruchmechanische Untersuchungen werden zur Vorhersage der Lebensdauer und der Wartungszyklen benutzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass auch Objekte ohne detektierte Anzeigen Materialfehler mit einer Reflektivität kleiner der Nachweisgrenze aufweisen können. Keine detektierte Anzeige bedeutet daher für Bauteilauslegung, dass sie eine konservative Annahme machen müssen: es wird angenommen, dass das Bauteil Materialfehler in Größe der Nachweisgrenze enthält. Dies macht die Nachweisgrenze zu dem die Lebensdauer limitierenden Faktor. Bei probabilistischen Methoden wird zusätzliches Wissen, wie Zuverlässigkeit und Fehlerauffindwahrscheinlichkeiten bei der zerstörungsfreien Prüfung mit in die Berechnung einbezogen, um zu konservative Annahmen zu vermeiden. Ziel ist es eine Model-Assisted-POD aufzubauen mit der die reale volumetrische Ultraschallprüfung großer Schmiedeteile nachgebildet werden kann. Die resultierende POD soll im Weiteren in bruchmechanischen Betrachtungen Verwendung finden. In vorangegangenen Arbeiten [Preißel2015] wurde dazu der Einfluss des Prüfrasters nach der DGZfP-Richtlinie US 07:2014 auf die Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (parametrisch) simulativ betrachtet und die Simulationstechnik experimentell validiert. In diesem Paper werden die Ergebnisse von Preißel überprüft und um eine Prüfraster-Summen-POD, die das Szenario der realen Bauteilprüfung beschreibt, erweitert. Zudem wird eine experimentell validierte, simulative, nicht-parametrische POD für schrägliegende Defekte aufgebaut. Schließlich werden erste Untersuchungen zur Defektmorphologie vorgestellt. Diese Arbeit ist im Rahmen eines Studenten-Stipendiums der DGZfP entstanden.
Capillary active interior insulation materials are an important approach to minimize energy losses of historical buildings. A key factor for their performance is a high liquid conductivity, which enables redistribution of liquid moisture within the material. We set up an experiment to investigate the development of moisture profiles within two different interior insulation materials, calcium-silicate (CaSi) and expanded perlite (EP), under constant boundary conditions. The moisture profiles were determined by two different methods: simple destructive sample slicing with subsequent thermogravimetric drying as well as non-destructive NMR measurements with high spatial resolution. The moisture profiles obtained from both methods show good agreement, when compared at the low spatial resolution of sample slicing, which demonstrates the reliability of this method. Moreover, the measured T2- relaxation-time distributions across the sample depth were measured, which may give further insight into the saturation degree of the different pore sizes. In order to explain differences in the moisture profiles between CaSi and EP, we determined their pore-size distribution with different methods: conversion of the NMR T2 relaxationtime distribution at full saturation, mercury intrusion porosimetry and indirect determination from pressure plate measurements. CaSi shows a unimodal distribution at small pore diameters, while in EP, a bi-modal or wider distribution was found. We assume that the smaller pore diameters of CaSi lead to a higher capillary conductivity, which causes a more distributed moisture profile in comparison with that of EP.
To evaluate the durability of new alternative cement compositions, it is important to examine the internal transport of moisture through these materials. For this purpose, mortars were prepared from different types of cement and capillary suction experiments were carried out. The moisture transport was studied with an NMR tomograph and compared with weight easurements. With the tomograph, the total moisture input could be determined, as well as the moisture content within the samples non-destructively and spatially resolved. This allows precise observation of the moisture fronts. The tomograph was also used to determine the capillary transport
coefficient.
There have been an increasing number of publications on flow chemistry applications of compact NMR. Despite this, there is so far no comprehensive workflow for the technical design of flow cells. Here, we present an approach that is suitable for the design of an NMR flow cell with an integrated static mixing unit. This design moves the mixing of reactants to the active NMR detection region within the NMR instrument, presenting a feature that analyses chemical reactions faster (5–120 s region) than other common setups. During the design phase, the targeted mixing homogeneity of the components was evaluated for different types of mixing units based on CFD simulation. Subsequently, the flow cell was additively manufactured from ceramic material and metal tubing. Within the targeted working mass flow range, excellent mixing properties as well as narrow line widths were confirmed in validation experiments, comparable to common glass tubes.
Defects are still common in metal components built with Additive Manufacturing (AM). Process monitoring methods for laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are used in industry, but relationships between monitoring data and defect formation are not fully understood yet. Additionally, defects and deformations may develop with a time delay to the laser energy input. Thus, currently, the component quality is only determinable after the finished process.
Here, active laser thermography, a non-destructive testing method, is adapted to PBF-LB/M, using the defocused process laser as heat source. The testing can be performed layer by layer throughout the manufacturing process. The results of the defect detection using infrared cameras are presented for a custom research PBF-LB/M machine. Our work enables a shift from post-process testing of components towards in-situ testing during the AM process. The actual component quality is evaluated in the process chamber and defects can be detected between layers.
Great complexity characterizes Additive Manufacturing (AM) of metallic components via laser powder bed fusion (PBF-LB/M). Due to this, defects in the printed components (like cracks and pores) are still common. Monitoring methods are commercially used, but the relationship between process data and defect formation is not well understood yet. Furthermore, defects and deformations might develop with a temporal delay to the laser energy input. The component’s actual quality is consequently only determinable after the finished process.
To overcome this drawback, thermographic in-situ testing is introduced. The defocused process laser is utilized for nondestructive testing performed layer by layer throughout the build process. The results of the defect detection via infrared cameras are shown for a research PBF-LB/M machine.
This creates the basis for a shift from in-situ monitoring towards in-situ testing during the AM process. Defects are detected immediately inside the process chamber, and the actual component quality is determined.
Die zerstörungsfreie Prüfung von metallischen Bauteilen hergestellt mit additiver Fertigung (Additive Manufacturing - AM) gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Grund dafür ist die Feststellung von Qualität, Reproduzierbarkeit und damit auch Sicherheit für Bauteile, die mittels AM gefertigt wurden. Jedoch wird noch immer ex-situ geprüft, wobei Defekte (z.B. Poren, Risse etc.) erst nach Prozessabschluss entdeckt werden. Übersteigen Anzahl und/oder Abmessung die vorgegebenen Grenzwerte für diese Defekte, so kommt es zu Ausschuss, was angesichts sehr langer Bauprozessdauern äußerst unrentabel ist. Eine Schwierigkeit ist dabei, dass manche Defekte sich erst zeitverzögert zum eigentlichen Materialauftrag bilden, z.B. durch thermische Spannungen oder Schmelzbadaktivitäten. Dementsprechend sind reine Monitoringansätze zur Detektion ggf. nicht ausreichend.
Daher wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur aktiven Thermografie an dem AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) untersucht. Das Bauteil wird mit Hilfe des defokussierten Prozesslasers bei geringer Laserleistung zwischen den einzelnen gefertigten Lagen unabhängig vom eigentlichen Bauprozess erwärmt. Die entstehende Wärmesignatur wird ort- und zeitaufgelöst durch eine Infrarotkamera erfasst. Durch diese der Lagenfertigung nachgelagerte Prüfung werden auch zum Bauprozess zeitversetzte Defektbildungen nachweisbar.
In dieser Arbeit finden die Untersuchungen als Proof-of-Concept, losgelöst vom AM-Prozess, an einem typischen metallischen Testkörper statt. Dieser besitzt eine Nut als oberflächlichen Defekt. Die durchgeführten Messungen finden an einer eigens entwickelten L-PBF-Forschungsanlage innerhalb der Prozesskammer statt. Damit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Thermografie für L-PBF erforscht, der eine größere Bandbreite an Defektarten auffindbar macht. Der Ansatz wird validiert und Genauigkeit sowie Auflösungsvermögen geprüft. Eine Anwendung am AM-Prozess wird damit direkt forciert und die dafür benötigten Zusammenhänge werden präsentiert.
Die additive Fertigung von metallischen Bauteilen (Additive Manufacturing - AM; auch 3D-Druck genannt) bietet eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden. Durch den schichtweisen Auftrag und das selektive Aufschmelzen von Metallpulver im Laser Powder Bed Fusion Prozess (L-PBF) sind u.a. optimierte und flexibel anpassbare Designs und die Nutzung von neuartigen Materialien möglich. Aufgrund der Komplexität des AM-Prozesses und der Menge an Einflussfaktoren ist eine Qualitätssicherung der gefertigten Bauteile unabdingbar. Verschiedene in-situ Monitoringansätze werden bereits angewendet, jedoch findet eine dedizierte Prüfung erst im Nachgang der Fertigung ex-situ statt. Der Grund dafür ist, dass die Entstehung von geometrischen Abweichungen und Defekten auch zeitversetzt zum eigentlichen Materialauftrag und damit auch zum Monitoring stattfinden kann. Die Notwendigkeit geeigneter in-situ Prüfmethoden für L-PBF, um die Erforderlichkeit einer Nacharbeitung frühzeitig festzustellen und Ausschuss zu vermeiden ist angesichts kostenintensiver Ausgangsstoffe und einer oftmals mehrstündigen bis mehrtägigen Prozessdauer besonders hoch.
Daraus motiviert wird im Rahmen des Projektes ATLAMP die Möglichkeit der aktiven Laserthermografie mit Hilfe des defokussierten Fertigungslasers untersucht. Damit ist, bei vergleichsweise geringer Laserleistung, eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Flying Spot Thermografie möglich. Diese findet jeweils anschließend an die Fertigung einer Schicht statt, womit der reale Status des Bauteils im Verlauf des AM-Prozesses geprüft wird.
Als Grundlage dafür werden im Rahmen dieser Arbeit mit AM gefertigte, defektbehaftete Probekörper zunächst losgelöst vom Fertigungsprozess untersucht. Damit werden die Grundlagen für den neuartigen Ansatz der aktiven in-situ Laserthermografie im L-PBF-Prozess mittels des Fertigungslasers geschaffen. Auf diese Weise lassen sich auch zeitversetzt auftretende Defekte zerstörungsfrei im Prozessverlauf feststellen und eine aussagekräftige Qualitätssicherung des Ist-Zustands des Bauteils erreichen.
Die zerstörungsfreie Prüfung von metallischen Bauteilen hergestellt mit additiver Fertigung (Additive Manufacturing - AM) gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Grund dafür ist die Feststellung von Qualität, Reproduzierbarkeit und damit auch Sicherheit für Bauteile, die mittels AM gefertigt wurden. Jedoch wird noch immer ex-situ geprüft, wobei Defekte (z.B. Poren, Risse etc.) erst nach Prozessabschluss entdeckt werden. Übersteigen Anzahl und/oder Abmessung die vorgegebenen Grenzwerte für diese Defekte, so kommt es zu Ausschuss, was angesichts sehr langer Bauprozessdauern äußerst unrentabel ist. Eine Schwierigkeit ist dabei, dass manche Defekte sich erst zeitverzögert zum eigentlichen Materialauftrag bilden, z.B. durch thermische Spannungen oder Schmelzbadaktivitäten. Dementsprechend sind reine Monitoringansätze zur Detektion ggf. nicht ausreichend.
Daher wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur aktiven Thermografie an dem AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) untersucht. Das Bauteil wird mit Hilfe des defokussierten Prozesslasers bei geringer Laserleistung zwischen den einzelnen gefertigten Lagen unabhängig vom eigentlichen Bauprozess erwärmt. Die entstehende Wärmesignatur wird ort- und zeitaufgelöst durch eine Infrarotkamera erfasst. Durch diese der Lagenfertigung nachgelagerte Prüfung werden auch zum Bauprozess zeitversetzte Defektbildungen nachweisbar.
In dieser Arbeit finden die Untersuchungen als Proof-of-Concept, losgelöst vom AM-Prozess, an einem typischen metallischen Testkörper statt. Dieser besitzt eine Nut als oberflächlichen Defekt. Die durchgeführten Messungen finden an einer eigens entwickelten L-PBF-Forschungsanlage innerhalb der Prozesskammer statt. Damit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Thermografie für L-PBF erforscht, der eine größere Bandbreite an Defektarten auffindbar macht. Der Ansatz wird validiert und Genauigkeit sowie Auflösungsvermögen geprüft. Eine Anwendung am AM-Prozess wird damit direkt forciert und die dafür benötigten Zusammenhänge werden präsentiert.
Additiv gefertigte (AM) dreifach periodische metallische minimale Oberflächenstrukturen (TPMSS, aus dem Englischen Triply Periodic Minimum Surface Structures) erfüllen mehrere Anforderungen sowohl im biomedizinischen als auch im technischen Bereich: Abstimmbare mechanische Eigenschaften, geringe Empfindlichkeit gegenüber Herstellungsfehlern, mechanische Stabilität und hohe Energieabsorption. Allerdings stellen sie auch einige Herausforderungen in Bezug auf die Qualitätskontrolle dar, die ihre erfolgreiche Anwendung verhindern können. Tatsächlich ist die Optimierung des AM-Prozesses ohne die Berücksichtigung struktureller Merkmale wie Fertigungsgenauigkeit, interne Defekte sowie Oberflächentopographie und -rauheit unmöglich. In dieser Studie wurde die quantitative zerstörungsfreie Analyse von Ti-6Al-4V-Legierung TPMSS mit Hilfe der Röntgen-Computertomographie (XCT) durchgeführt. Es werden mehrere neue Bildanalyse-Workflows vorgestellt, um die Auswirkungen der Aufbaurichtung auf die Wanddickenverteilung, die Wanddegradation und die Verringerung der Oberflächenrauheit aufgrund des chemischen Ätzens von TPMSS zu bewerten. Es wird gezeigt, dass die Herstellungsgenauigkeit für die Strukturelemente, die parallel und orthogonal zu den hergestellten Schichten gedruckt werden, unterschiedlich ist. Verschiedene Strategien für das chemische Ätzen zeigten unterschiedliche Pulverabtragsfähigkeiten und damit ein Gradient der Wanddicke. Dies wirkte sich auf die mechanische Leistung unter Druck durch die Verringerung der Streckspannung aus. Eine positive Auswirkung des chemischen Ätzens ist die Verringerung der Oberflächenrauhigkeit, die möglicherweise die Ermüdungseigenschaften der Bauteile verbessern kann. Schließlich wurde XCT eingesetzt, um die Menge des zurückgehaltenen Pulvers mit der Porengröße des TPMSS zu korrelieren, wodurch der Herstellungsprozess weiter verbessert werden kann.
Additively manufactured (AM) metallic sheet-based Triply Periodic Minimal Surface Structures (TPMSS) meet several requirements in both bio-medical and engineering fields: Tunable mechanical properties, low sensitivity to manufacturing defects, mechanical stability, and high energy absorption. However, they also present some challenges related to quality control. In fact, the optimization of both the AM process and the properties of TPMSS is impossible without considering structural characteristics as manufacturing accuracy, internal defects, and as well as surface topography and roughness. In this study, the quantitative non-destructive analysis of TPMSS manufactured from Ti-6Al-4V alloy by electron beam melting was performed by means of laboratory X-ray computed tomography (XCT).
Additively manufactured (AM) triply periodic metallic minimum surface structures (TPMSS, from the English Triply Periodic Minimum Surface Structures) fulfill several requirements in both biomedical and engineering fields: tunable mechanical properties, low sensitivity to manufacturing defects, mechanical stability, and high energy absorption. However, they also present some quality control challenges that may prevent their successful application. In fact, optimization of the AM process is impossible without considering structural features such as manufacturing accuracy, internal defects, and surface topography and roughness. In this study, quantitative nondestructive analysis of Ti-6Al-4V alloy TPMSS was performed using X-ray computed tomography (XCT). Several new image analysis workflows are presented to evaluate the effects of buildup direction on wall thickness distribution, wall degradation, and surface roughness reduction due to chemical etching of TPMSS. It is shown that the fabrication accuracy is different for the structural elements printed parallel and orthogonal to the fabricated layers. Different strategies for chemical etching showed different powder removal capabilities and thus a gradient in wall thickness. This affected the mechanical performance under compression by reducing the yield stress. A positive effect of chemical etching is the reduction of surface roughness, which can potentially improve the fatigue properties of the components. Finally, XCT was used to correlate the amount of powder retained with the pore size of the TPMSS, which can further improve the manufacturing process.
A paradigm shift in the description of creep in metals can only occur through multi-scale imaging
(2022)
The description of creep in metals has reached a high level of complexity; fine details are revealed by all sorts of characterization techniques and different theoretical models. However, to date virtually no fully microstructure-driven quantitative description of the phenomenon is available. This has brought to interesting inconsistencies; the classic description of (secondary) creep rests on the so-called power law, which however: a- has a pre-factor spanning over 10 orders of magnitude; b- has different reported exponents for the same material; c- has no explanation for the values of such exponents.
Recently, a novel description (the so-called Solid State Transformation Creep (SSTC) Model) has been proposed to tackle the problem under a different light. The model has two remarkable features: 1- it describes creep as the accumulation of elementary strains due to dislocation motion; 2- it predicates that creep is proceeding by the evolution of a fractal arrangement of dislocations. Such description, however, needs a great deal of corroborating evidence, and indeed, is still incomplete.
To date, we have been able to observe and somehow quantify the fractal arrangement of microstructures through Transmission Electron Microscopy (TEM), observe the accumulation of dislocations at grain boundaries by EBSD-KAM (Electron Back-Scattered Diffraction-Kernel Angular Misorientation) analysis, quantify the kinetic character (solid state transformation) of experimental creep curves, and estimate the sub-grain size of the fractal microstructure through X-ray refraction techniques. All pieces of the mosaic seem to yield a consistent picture: we seem being on the right path to reconstruct the whole elephant by probing single parts of it. What is still missing is the bond between the various scales of investigation.
Wir präsentieren Labor- und Synchrotron-Röntgenrefraktionstechniken, wie sie an der BAM implementiert sind.
Wir zeigen, dass die Labor-Röntgenrefraktionstopographie (XRRT) und die Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie (SRRR) außergewöhnliche Werkzeuge zur Untersuchung von Schädigungen und inneren Defekten (Poren, Mikrorisse) in leichten Materialien wie Keramiken und Kompositen sind. Tatsächlich nutzen diese Techniken den an Grenzflächen auftretenden Röntgenbrechungseffekt aus, um den Kontrast zwischen dem (schwach absorbierenden) Objekt und dem Hintergrund zu erhöhen. Dies ermöglicht die Erkennung sehr kleiner Objekte (sogar bis zu 1 nm Rissöffnung) und die Quantifizierung ihrer spezifischen Oberfläche, die mit ihrem Einfluss auf die Materialeigenschaften korreliert. Wir zeigen die folgenden Anwendungen: a) Quantifizierung der Faserentbindung in laminaten Epoxid-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen; b) Mapping der Porengröße in gesinterten Keramiken; c) Eindringstiefe von Aschen in Keramikschutzschichten; d) Quantifizierung der Porenorientierung in Diesel Partikelfiltern; e) 3D-Darstellung von Makrorissen und Faserentbindung in Verbundwerkstoffen auf Ti-Basis für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt (unter Verwendung von Röntgenrefraktionstomographie).
In this talk the basics of X-ray computed tomography (XCT) are presented, together with a description of complementary techniques such as Laminography and Stereoradiography.
A overview of the common reconstruction approach and of the artifacts that can occur during reconstruction or acquisition of XCT images is also given.
Finally, application examples in the field of construction materials are given, whereby several experimental techniques (Region of Interest Approach) and data analysis methods (e.g. Digital volume correlation) are explained. Such techniques and algorithms are used to extract quantitative information from ex- and in-situ experiments.
In this seminar I present the microstructure and micromechanical properties of diesel particulate filter materials, and then particularize them to porous microcracked aluminum titanate.
I show that neutron diffraction is particularly suited for bulk studies, especially under applied load or at high temperatures. The combination of macroscopic and microscopic tests with modeling and simulation yields great added value to understand the mechanics of microcracking.
In Additive Manufacturing everybody is talking about Free Form, Unconventional Design, Re-thinking Components, “Think out of the box”.
However, there are a few outstanding question: a) What are the material properties ? They certainly differ from literature values for conventional materials; b) How about the microstructure? It is different from conventional materials. Does it stay so with ageing? How does it form? c) Do we properly take residual stress into account? We often blame them for our ignorance about failure scenarios. d) Do we apply tailored heat treatments? Very often, we follow conventional schedules…
This talk describes the summary of the efforts carried out within the BAM Project AGIL.
At BAM, we aimed to thoroughly investigate the microstructure and how it evolves as a function of load and temperature (service), to determine the material properties after different process and service conditions, to properly determine residual stress and the way it impacts mechanical properties and component performance, to properly quantify the impact of (unavoidable?) defects, and to determine heat treatments tailored to the process-specific material (stress relieve, microstructure homogenization etc.).
The Project AGIL was and is intimately coupled with the project ProMoAM, dealing with online monitoring of AM processes.
While additive manufacturing (AM) is blossoming in nearly every industrial field, and the most different process are being used to produce components and materials, little attention is paid on the safety concerns around AM materials and processes.
Leveraging on our leading expertise in non-destructive testing (NDT) and materials characterization, we approach AM at BAM under two important viewpoints: first the on-line monitoring of the process and of the product, second the evolution of the (unstable) microstructure of AM materials under external loads.
These two subjects are the core of the two new-born internal projects ProMoAM and AGIL, respectively.
A detailed view of the goals and the organization of these two projects will be given, together with the expected output, and some preliminary results.
The combination of microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on porous material properties. In particular, quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. I will show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of porosity in ceramics.
Moreover, I will show how not-so-novel 2D characterization techniques, based X-ray refraction, can allow a great deal of insights in the damage evolution in microcracked (and porous) ceramics. I will show how X-ray refraction can detect objects (e.g. microcracks) below its own spatial resolution.
Finally, I will discuss the link between the microstructural findings and the mechanical properties of porous microcracked ceramics.
Porous ceramic diesel particulate filters (DPFs) are extruded products that possess macroscopic anisotropic mechanical and thermal properties. This anisotropy is caused by both morphologic features (mostly the orientation of porosity) and crystallographic texture. We systematically studied those two aspects in a cordierite and two aluminum titanate (AT) ceramic materials of different porosity using mercury porosimetry, gas adsorption, electron microscopy, X-ray diffraction, and X-ray refraction radiography. We found that a lower porosity in AT content implies a larger isotropy of both the crystal texture and the porous space orientation. We also found that, analogous to cordierite, AT crystallites do align with their axis of negative thermal expansion along the extrusion direction. However, unlike what found for cordierite, the aluminium titanate crystallite form is such that a more pronounced (0 0 2) texture along the extrusion direction implies porosity aligned perpendicular to it.
The goal of the Special Issue “Brittle Materials in Mechanical Extremes” was to spark a discussion of the analogies and the differences between different brittle materials, such as, for instance, ceramics and concrete. Indeed, the contributions to the Issue spanned from construction materials (asphalt and concrete) to structural ceramics, reaching as far as ice. The data shown in the issue were obtained by advanced microstructural techniques (microscopy, 3D imaging, etc.) and linked to mechanical properties (and their changes as a function of aging, composition, etc.). The description of the mechanical behavior of brittle materials under operational loads, for instance, concrete and ceramics under very high temperatures, offered an unconventional viewpoint on the behavior of brittle materials. This is not at all exhaustive, but a way to pave the road for intriguing and enriching comparisons.
Diffraction-based experimental determination of Residual Stress in AM parts: A critical discussion
(2019)
Additive manufacturing (AM) technologies have experienced an exceedingly rapid growth, not always paralleled by the knowledge about the materials properties and performance. In particular, residual stress (RS) has been soon recognized as an issue in AM parts, so that parts are always post-heat-treated. Moreover, much effort has been spent on simulating RS, especially using finite element methods.
The experimental determination of RS has thereby become increasingly important, and even simple data constitute (to date) a piece of knowledge to fill the above-mentioned gap. In particular, diffraction methods, which are basically non-destructive, offer enormous possibilities to gain knowledge on real components, since neutrons and synchrotron radiation can penetrate even heavy metals up to several millimeters (or even centimeters). Indeed, some success has been obtained, and the knowledge about the origins of the RS fields, as well as their variation as a consequence of heat or mechanical treatments, has been greatly expanded.
In this talk, a few success stories will be outlined. It will be shown how the determination of RS in metallic parts (with focus on those produced by laser powder bed fusion) has even allowed showing that process parameters that were considered unimportant play a major role in the onset of stress.
However, while RS is starting to be considered in the part design, deposition strategy (e.g. build plate temperature), and even in the definition of the relevant metric to assess the quality of a part, much is still to be investigated about the hypotheses underlying its experimental determination. Therefore, some aspects to be aware of, or even to date unclear will also be discussed, such as the determination of the reference unstrained samples and of the principal axes of stress. All these aspects will draw the path towards a comprehensive understanding of the process-structure-performance relationships in AM materials and parts.
In this talk, the evolution of the demand for engineering applications of neutrons at the ILL in the last 10 years is presented. It is shown that small angle neutron scattering and diffraction are highly demanded by the materials science community. Further development in the field is foreseen, with the use of in-situ (furnace, tension/compression rig, humidity cells, etc.) techniques to associate to the neutron techniques.
In this Seminar cycle I will present first diffraction methods to determine residual stress and investigate micromechanical properties of complex materials, and then particularize the treatment with applications to porous microcracked ceramics for diesel particulate filter applications.
I will show that neutron diffraction is particularly suited for bulk studies, where 3D stresses are needed. The advantages to use Time-of-Flight or steady state sources will be discussed, together with the problematic of the determination of absolute RS values.
Finally, the behavior of DPF materials under applied load or at high temperatures will be discussed under the combination of macroscopic and microscopic tests.
In this Seminar cycle I will present first diffraction methods to determine residual stress and investigate micromechanical properties of complex materials, and then particularize the treatment with applications to porous microcracked ceramics for diesel particulate filter applications.
I will show that neutron diffraction is particularly suited for bulk studies, where 3D stresses are needed. The advantages to use Time-of-Flight or steady state sources will be discussed, together with the problematic of the determination of absolute RS values.
Finally, the behavior of DPF materials under applied load or at high temperatures will be discussed under the combination of macroscopic and microscopic tests.
The combination of tomographic, microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on material and component properties. In particular, quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. This logic thread equally holds for industrial and academic research and valorizes expensive experiments such as those carried out at synchrotron sources, which cannot be daily repeated.
I will show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of damage evolution and microstructural properties, as well as for non-destructive testing. Examples of micro-structured inhomogeneous materials will be given, such as Composites, Ceramics, Concrete, and Additively manufactured parts. I will also show how X-ray refraction computed tomography (CT) can be highly complementary to classic absorption CT, being sensitive to internal interfaces.
Additionally, I will show how Neutron Diffraction, which is extremely well suited to the study of internal stresses, both residual and under external load, can well be coupled to the microstructural framework gained by CT, allowing understanding the microstructure-property relationships in materials.
The combination of tomographic, microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on material and component properties. In particular, quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. This logic thread equally holds for industrial and academic research and valorizes expensive experiments such as those carried out at synchrotron sources, which cannot be daily repeated.
I will show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of damage evolution and microstructural properties, as well as for non-destructive testing. Examples of micro-structured inhomogeneous materials will be given, such as Composites, Ceramics, Concrete, and Additively manufactured parts. I will also show how X-ray refraction computed tomography (CT) can be highly complementary to classic absorption CT, being sensitive to internal interfaces.
Additionally, I will show how Neutron Diffraction, which is extremely well suited to the study of internal stresses, both residual and under external load, can well be coupled to the microstructural framework gained by CT, allowing understanding the microstructure-property relationships in materials.
Finally, I will show that BAM is very active in standardization and certification, including production of Reference Materials and Methods.