Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (2)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (2)
- 9.6 Additive Fertigung metallischer Komponenten (2)
The subsurface residual stress in laser powder bed fused 316L structures was analyzed using X-ray diffraction (XRD) and layer removal. The influence of varying structure thicknesses was investigated. In this study the importance of combining surface roughness measurements with XRD was shown. Moreover, a clear relation between the structure thickness and the subsurface residual stress profiles was observed.
Quality Aspects of Additively Manufactured Medical Implants - Defect Detection in Lattice Parts
(2019)
Additive Manufacturing technologies are developing fast to enable a rapid and flexible production of parts. Tailoring products to individual needs is a big advantage of this technology, which makes it of special interest for the medical device industry and the direct manufacturing of final products. Due to the fast development, standards to assure reliability of the AM process and quality of the printed products are often lacking. The EU project Metrology for Additively Manufactured Medical Implants (MetAMMI) is aiming to fill this gap by investigating alternative and cost efficient non-destructive measurement methods.
The assessment of high cycle fatigue in additive manufactured (AM) components is a challenge due to complex microstructure, anisotropic material behavior, residual stresses and porosity / lack-of-fusion defects. Due to the statistical distribution of defects, a high scatter band of S-N-curves is expected. The fracture mechanics-based fatigue assessment of additive manufactured components must consider the propagation of short cracks emanating from defects.
In this work, the fatigue crack propagation resistance in the short and large crack regimes of additive and conventionally manufactured AISI 316L stainless steel is examined experimentally based on the cyclic R-curve. However, remaining residual stresses in the AM specimen lead to unexpected and dramatic crack-growth during the pre-cracking procedure.
Additively Manufactured (AM) parts are still far from being used in safety-relevant applications, mainly due to a lack of understanding of the feedstock-process-propertiesperformance relationship. This work aims at providing a characterization of the fatigue behavior of the additively manufactured AISI 316L austenitic stainless steel and a direct comparison with the fatigue performance of the wrought steel. A set of specimens has been produced by laser powder bed fusion (L-PBF) and a second set of specimens has been machined out of hot-rolled plates. The L-PBF material shows a higher fatigue limit and better finite life performance compared to the wrought material, accompanied by an extensive amount of cyclic softening.
The Influence of the Temperature Gradient on the Distribution of Residual Stresses in AM AISI 316L
(2019)
Steep temperature gradients and solidification shrinkage are the main contributors to the formation of residual stresses in additively manufactured metallic parts produced by laser beam melting. The aim of this work was to determine the influence of the temperature gradient.
Diffraction results show a similar pattern for both specimens, indicating the shrinkage to be more dominant for the distribution of residual stresses than the temperature gradient. Thermography results imply that a higher energy input result in higher compressive residual stresses in the bulk.
µCT is used to validate the capability of online monitoring for in-situ detection of defects during the L-PBF build process, which is a focus of the TF project ProMoAM.
Our first experiments show that online monitoring using thermography and optical tomography cameras are able to detect defects in the built part. But further research is needed to understand root cause of the correlation.
In this work, the structural integrity of LBM fabricated IN625 small cylinders (d = 1 mm, h = 6 mm) was investigated regarding the porosity and the surface roughness by means of computed tomography. The measurements were carried out on a GE v|tome|x L 300/180 with a reconstructed voxel size of 2 µm. The pores were analyzed for size, shape and spatial distribution. The correlation between compactness C and spatial distribution showed that elongated pores (C < 0.2) appear exclusively within a distance of 80 µm to the sample surface. The reconstructed surface was digitally meshed and unwrapped to evaluate the mean roughness Ra. Since the gravity correlates linearly with the sine of the build angle, the influence of gravity on porosity and surface roughness was determined.
The interest to additively manufacture Nickel-based superalloys has substantially grown within the past decade both academically and industrially. More specifically, additive manufacturing processes such as laser powder bed fusion (LPBF) offer the ability to produce dense parts within a single manufacturing step. In fact, the exceptional freedom in design associated with the layer-based nature of the processes is of particular interest for the complex shapes typically required in turbine applications. In certain cases, the overall part performance can be achieved by tailoring the microstructure and the crystallographic texture to the specific application. However, these advantages must be paid at a price: the large local temperature gradients associated with the rapid melting and solidification produce parts that inherently contain large residual stress in the as-manufactured state. In addition, the presence of pores in the final part may further affect the in-service part failure. As among Nickel-based alloys Inconel 718 exhibits excellent weldability, this alloy has been widely studied in open research in the domain of LPBF. However, significant microsegregation of the heavier alloying elements such as Niobium and Molybdenum accompanied by dislocation entanglements may preclude the application of conventional heat treatment schedules. Therefore, different post processing heat treatments are required for laser powder bed fused Inconel 718 as compared to conventional variants of the same alloy.
In this study, we investigated two different heat treatment routes for LPBF Inconel 718. In a first routine, the samples were stress relieved and subsequently subjected to hot isostatic pressing (HIP) followed by a solution heat treatment and a two-step age (referred to as FHT). In a second routine, the samples were subjected to a single-step direct age post stress relieving heat treatment (referred to DA). We investigated the consequences of such heat treatment schedules on the microstructure, texture, and mechanical behavior. We show that by applying a DA heat treatment the typical columnar microstructure possessing a crystallographic texture is retained, while an equiaxed untextured microstructure prevails in case of an FHT heat treatment. We further evaluate how these heat treatments affect the mechanical behaviour on the macroscopic and microscopic scale.
Currently, mandatory requirements and recommendations for the detection of irregularities in laser beam welded joints are based on classic micrographs as set out in the standard ISO 13919-1:2019. Compared to classic micrographs, computed tomography enables a non-destructive, three-dimensional and material-independent mode of operation, which delivers much more profound results. Even in building material testing, methods with limited informative value can be checked and supplemented by CT examinations.
Compact nuclear magnetic resonance (NMR) instruments make NMR spectroscopy and relaxometry accessible in industrial and harsh environments for reaction characterization and process control. Robust field integration of NMR systems have to face explosion protection or integration into process control systems with short set-up times. This paves the way for industrial automation in real process environments.
The design of failsafe, temperature and pressure resistant flow through cells along with their NMR-specific requirements is an essential cornerstone to enter industrial production plants and fulfill explosion safety requirements. Additionally, if fast reactions are monitored, suitable mixing devices need to be placed in close vicinity to the measuring volume to mix the reactants properly.
NMR-specific requirements aim at full quantitative pre-magnetization and acquisition with maximum sensitivity while reducing sample transfer times and dwell-times. All parameters are individually dependent on the applied NMR instrument.
Luckily, an increasing number of applications are reported together with an increasing variety of commercial equipment. However, these contributions have to be reviewed thoroughly.
The performance of sample flow cells commonly used in online analytics and especially for low-field NMR spectroscopy was experimentally and theoretically investigated by 1H-NMR experiments and numerical simulations. Especially, the applicability of 3D printed zirconium dioxide for innovative flow cell designs was of interest. Here, we demonstrate and discuss an automated test method to determine the critical parameters of flow through cells for quantitative online NMR spectroscopy. The setup is based on randomized setpoints of flow rates in order to reduce temperature related effects. Five flow cells and tubing were assessed and compared for high-field as well as low-field NMR spectrometers.
Using non-optimum combination of manufacturing parameters in selective laser melting (SLM) may lead to reduction of quality of component: defects generation, distortion of geometry and even cracking. Usually, the optimization of parameters is performed by changing volumetric energy density (Ev) and selecting parameters giving low porosity values. However, not only low porosity but also stable microstructure and low residual stresses will help to achieve advanced mechanical behavior of the component.
In present work, we investigated cuboid-shaped Ti-6Al-4V samples produced with different manufacturing parameters. The parameters leading to the same Ev were considered as well as parameters which are not included in Ev. Residual stresses in subsurface region were investigated by synchrotron X-ray diffraction, which allows to penetrate around 100 µm from the surface therefore overcome the problem of high roughness of SLM components without additional sample preparation. Only tensile stresses were found along the building direction, that can play critical role especially during cyclic loading. In parallel, using X-ray computed tomography we also observe that porosity is mainly concentrated in the contour region, except in case where the laser speed is small. However, by using some process parameters it was possible to decrease residual stresses and obtain uniform α+β Ti microstructure and relatively low porosity. Additionally, it was found that not included in Ev (e.g., base plate position, focus distance) should be considered as additional manufacturing parameters during SLM process.
The porosity and the surface roughness are recently discussed problems for SLM parts. The influence of SLM process parameters on porosity is well studied for different materials. Nevertheless, the build angle (i.e. the angle between part orientation and build plate) needs to be understood as an additional SLM process parameter, as it has been shown, that the microstructure and hence the mechanical performance of various materials depend on the build angle. The inherent build angle of each strut as a part of a lattice structure is the motivation to investigate the influence of the build angle on the porosity and roughness on round-shaped (1 mm diameter) struts by means of CT. Conventional Coordinate Measuring Machine (CMM) has the limitation towards small and round shaped samples. The need for Computed Tomography (CT) regarding investigations of SLM parts will increase because no other non-destructive technique allows the assessment of complex geometries with inner laying surfaces. We used CT to assess the pores and the strut surface. Seven struts out of the nickel alloy Inconel 625 with build angles from 30° to 90° were studied. It was found that the number of pores is smaller, and the size of pores is larger for the 90° strut. In case of 30° strut, the number of pores is increased towards down-skin side, additionally, this strut orientation showed to have the largest number of attached powder particles. The elongated pores exist exclusively near the strut surface. While the roughness at the down-skin surface is highly depending of the biud angle, the roughness at the up-skin surface is the same for all struts. The mechanisms of pore and surface roughness formation is not mainly driven by gravity.
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 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.
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.
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.