Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Due to rapid, localized heating and cooling, distortions accumulate in additive manufactured laser metal deposition (LMD) components, leading to a loss of dimensional accuracy or even cracking. Numerical welding simulations allow the prediction of these deviations and their optimization before conducting experiments. To assess the viability of the simulation tool for the use in a predictive manner, comprehensive systems as well as to choose the optimal product matches, product analysis methods are needed. Indeed, most of the known methods aim to analyze a product or one product family on the physical level. Different product families, however, may differ largely in terms of the number and nature of components. This fact impedes an efficient comparison and choice of appropriate product family combinations for the production system. A new methodology is proposed to analyze existing products in view of their functional and physical architecture. The aim is to Cluster these products in new assembly oriented product families for the optimization.
The application of implants e.g. for osteosynthesis or substitution of worn out joints is common practice since decades. Successes in surgery and orthopedics are highly dependent on the use of artificial parts for implanting into the human body. Over the years the number of surgical procedures and the number of different implants were growing rapidly. Implants, however, are exposed to complex mechanical, corrosive and tribological loads along with restriction in geometric dimension. While being essentially successful, the sheer number of cases leads to a rising number of implant failures. Such failures are painful for the affected patients and are very costly.
The failure cases presented in this paper occurred from 1981 to 2016. The predominant failure mechanism of all kinds of implants is fatigue fracture. Fatigue cracks are initiated due to a whole bunch of reasons: Material defects and fabrication defects are rare events. The main factors are cyclic overload due to improper fitting with delayed bone healing, corrosion and unauthorized modification of the implant during surgery
Foreword
(2018)
The subject of this Special Issue is the fracture mechanics-based determination of the fatigue strength of weldments. Except for one, all papers were written in closer or wider relation to a methodology developed within the framework of the German Project cluster IBESS. Some of them provide background or supplementary information needed in that context but which is also relevant in a wider frame of research activities. The acronym IBESS stands for the topic of this Special Issue (in German: „Integrale Methode zu Bruchmechanischen Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen). Eight partners were involved. The cluster was cooperatively founded by the German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft) and by the German AiF Network (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen) for industrial research.
The paper deals with the integration of a light emitting diode (LED) into an additive manufactured metal component. Selective laser melting (SLM) and laser metal deposition (LMD) are used. The material used is the chrome-nickel steel 316L. The basic component is manufactured by means of SLM and consists of a solid body and an area with grid structure. The solid body includes a duct in the shape of a groove with a recess for the positioning of the power cable. The LED is embedded in the grid structure via an inlet from the solid body. In further processing, the groove is filled with LMD. Two strategies with different parameter combinations were investigated. It shows that a high energy input near the power cable leads to its destruction. By using multiple parameter combinations during the manufacturing process, this destruction can be prevented. There was a comparison of both strategies with regard to the necessary number of tracks and duration of welding time.
The paper deals with the integration of a light emitting diode (LED) into an additive manufactured metal component. Selective laser melting (SLM) and laser metal deposition (LMD) are used. The material used is the chrome-nickel steel 316L. The basic component is manufactured by means of SLM and consists of a solid body and an area with grid structure. The solid body includes a duct in the shape of a groove with a recess for the positioning of the power cable. The LED is embedded in the grid structure via an inlet from the solid body. In further processing, the groove is filled with LMD. Two strategies with different parameter combinations were investigated. It shows that a high energy input near the power cable leads to its destruction. By using multiple parameter combinations during the manufacturing process, this destruction can be prevented. There was a comparison of both strategies with regard to the necessary number of tracks and duration of welding time.
Beanspruchungsgerechtes ultraschallunterstütztes Fräsen Generativ gefertigter Turbinenbauteile
(2018)
Die Beschaffung und Verarbeitung von Werkstoffen für hochbelastete Komponenten sind meist kostenintensiv. Bestrebungen zur Kosten- und Ressourceneffizienz führen zu komplexeren Strukturen bzw. Konturen, sodass generative Fertigungsschritte zur Bauteilreparatur und -fertigung deutliche ökonomische Vorteile bieten. Hierfür sind generative und abtragende Fertigungsschritte komplementär und gezielt aufeinander abzustimmen, um beanspruchungsgerechte Funktionsflächen herzustellen.
Hochfeste und -warmfeste Legierungen nehmen in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus eine immer größere Rolle ein, deren Wirtschaftlichkeit und Effizienz durch eine kostensparende und präzise fügetechnische und abtragende Fertigung bestimmt wird. Komponenten aus modernen hochfesten Werkstoffen erfordern aufgrund ihres spezifischen Legierungskonzeptes und Gefüges und der oft hohen thermo-mechanischen Belastungen speziell adaptierte Fertigungsabläufe. Der Beitrag stellt einige Themenschwerpunkte vor, bei denen fertigungsbedingte Beanspruchungen und Eigenschaftsdegradationen an hochinnovativen Werkstoffen optimiert und wirtschaftliche Fertigungsbedingungen untersucht werden.
Die Beschaffung und Verarbeitung von Werkstoffen für hochbelastete Komponenten sind meist kostenintensiv. Bestrebungen zur Kosten- und Ressourceneffizienz führen zu komplexeren Strukturen bzw. Konturen, sodass generative Fertigungsschritte zur Bauteilreparatur und -fertigung deutliche ökonomische Vorteile bieten. Hierfür sind generative und abtragende Fertigungsschritte komplementär und gezielt aufeinander abzustimmen, um beanspruchungsgerechte Funktionsflächen herzustellen. Hinsichtlich Inhomogenität und Anisotropie der Gefüge und Eigenschaften sowie fertigungsbedingter Beanspruchungen sind für den wirtschaftlichen Einsatz bei KMU, gerade für drahtbasierte Fertigungsverfahren und Wechselwirkungen nachfolgender Zerspanung dieser schwer spanbaren Werkstoffe noch viele Kenntnisse notwendig. Deshalb sind Untersuchungen zu diesen Einflüssen und Wechselwirkungen unter Nutzung innovativer Ansätze geplant. Mit typischen kostenintensiven Ni- und Co-Cr-Legierungen werden generativ Bauteile, Auftrag- und Reparaturschweißungen hergestellt und Schweißzusätze für das PTA-Verfahren modifiziert, um die Erstarrungsmorphologie und das Eigenschaftsprofil zu optimieren. Die Übertragung auf MSG-Verfahren sichert einen breiten industriellen Einsatz für hohe Auftragraten ab. Die wirtschaftliche spanende Bearbeitbarkeit wird mit Zerspanbarkeitsanalysen für Schlichtfräsen und vergleichend für ultraschallunterstütze Fräsprozesse sichergestellt. Instrumentierte Experimente und Werkstoffanalytik hinsichtlich der Einflüsse auf Schmelzbad, Gefüge und Ausscheidungen sowie auf Randzoneneigenschaften und Eigenspannungen ermöglichen umfassende Erkenntnisse zur kombinierten generativen und abtragenden Fertigung. Durch Bauteilversuche und -prüfungen, Übertragbarkeitsstudien weiterer innovativer Werkstoffe verbunden mit Handlungsempfehlungen und der Zusammenarbeit mit den jeweiligen Normungsgremien profitieren KMU von einer hochwirtschaftlichen Herstellung und Reparatur kostenintensiver Komponenten.
In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Aufrechterhaltung eines definierten Reibungs- und Verschleißverhaltens zwischen bewegten Oberflächen für die Sicherheit und Funktionalität eine entscheidende Rolle. Die Oberflächentechnik versucht durch geeignete Verfahren die Randschichten zu ertüchtigen, um Reibung und Verschleiß zu kontrollieren. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch flächige Beschichtungen erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen Oberflächenstrukturierungen breite Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schmierungszustandes bzw. der Kontaktbedingungen. Neben Negativstrukturen bieten ebenfalls erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens. Ihr Einsatz ist aber aufgrund der besonderen Verschleißproblematik erhabener Strukturen momentan limitiert, so dass in der Regel zusätzliche verschleißreduzierende Beschichtungen notwendig werden.
In diesem Beitrag wurde das Verfahren der Laserimplantation angewandt, mit dem erhabene und separierte Oberflächenstrukturen hoher Verschleißfestigkeit in einem Fertigungsschritt erzeugbar sind. Das Verfahren basiert auf einem lokalisierten Dispergieren von Hartstoffpartikeln. Hierfür wurde erstmalig ein gepulster Faserlaser mit hoher Strahlqualität zur Erzeugung punkt- und linienförmiger Mikrostrukturen angewandt. Versuche wurden auf dem Kaltarbeitsstahl X153CrMoV12 unter Anwendung von Titandiborid als Hartstoff durchgeführt. Anhand von Härtemessungen konnte gezeigt werden, dass sowohl punkt- als auch linienförmige Strukturen mit Härten über 1000 HV1 und einer feinkörnigen Mikrostruktur mit feinverteilten Hartstoffpartikeln herstellbar sind. Des Weiteren war es möglich, die Implantgeometrien, welche an Querschliffen und durch Weißlichtinterferometeraufnahmen erfasst wurden, durch die Pulsleistung und Pulsdauer zu steuern.
Additive Manufacturing (AM) offers the opportunity to produce easier geometrically complex parts compared to traditional production technologies. An important AM technology for metals is selective laser melting (SLM) where a part is produced by melting and solidifying powder in layers. This technique is known to cause a pronounced texture in the produced AM products due to the specific heat flow and the associated solidification of the material during SLM deposition. In order to evaluate the influence of the deposition hatch length during SLM of nickel based superalloy Inconel 718 samples on the texture and in order to identify any preferred crystallographic direction, we performed monochromatic neutron radiography scans (using wavelength from 1.6 Å to 4.4 Å, step size 0.05 Å) to image the samples while rotating it through 90°. Samples produced with short hatch length showed fine textured columnar grains oriented along the sample building direction in high-resolution radiographs. Whereas processing the sample using a ten-fold longer hatch length reduced the texture. The neutron radiographic experiments were accompanied by scanning electron microscopy including electron back-scattered diffraction to visualize and verify the microstructure and texture.
Dissimilar metal weld overlays of nickel-base alloys on low-alloy steel components are commonly used in the oil and gas, petrochemical, and power generation industries to provide corrosion and oxidation resistance in a wide range of service Environments and temperatures. Traditionally, dissimilar weld overlays are produced using cold or hot wire gas tungsten arc welding.
This study aims to identify and evaluate potential advantages of low heat input gas metal arc welding processes over the conventional gas tungsten arc welding in the production of such overlays. Parts I and II of this publication series described characteristics of the heat-affected zone and the transition zone region of alloy 625 on grade 22 steel overlays. These results indicate a good resistance against hydrogen-assisted cracking, which is being verified within this third part of the publication series. To determine the hydrogen-assisted cracking susceptibility, welded samples are tested using the delayed hydrogen-assisted cracking test. Fractography is performed using scanning electron microscopy along with energy dispersive spectroscopy. The results confirm the suitability and efficiency of low heat input gas metal arc welding for dissimilar weld overlays. Variation of the postweld heat treatment procedure bears potential for improvement in this respect.
With the recent rise in the demand for additive manufacturing (AM), the need for reliable simulation tools to support experimental efforts grows steadily. Computational welding mechanics approaches can simulate the AM processes but are generally not validated for AM-specific effects originating from multiple heating and cooling cycles. To increase confidence in the outcomes and to use numerical simulation reliably, the result quality Needs to be validated against experiments for in-situ and post-process cases. In this article, a validation is demonstrated
for a structural thermomechanical simulation model on an arbitrarily curved Directed Energy Deposition (DED)part: at first, the validity of the heat input is ensured and subsequently, the model’s predictive quality for in-situ
deformation and the bulging behaviour is investigated. For the in-situ deformations, 3D-Digital Image Correlation measurements are conducted that quantify periodic expansion and shrinkage as they occur. The results show a strong dependency of the local stiffness of the surrounding geometry. The numerical Simulation model is set up in accordance with the experiment and can reproduce the measured 3-dimensional in-situ displacements. Furthermore, the deformations due to removal from the substrate are quantified via 3D-scanning, exhibiting considerable distortions due to stress relaxation. Finally, the prediction of the deformed shape is discussed in regards to bulging simulation: to improve the accuracy of the calculated final shape, a novel Extension of the model relying on the modified stiffness of inactive upper layers is proposed and the experimentally observed bulging could be reproduced in the finite element model.
Laser-Metal-Deposition (LMD) and Plasma-Transferred-Arc (PTA) are well known Technologies which can be used for cladding purposes. The prime objective in combining LMD and PTA as a Hybrid Metal Deposition-Technology (HMD) is to achieve high Deposition rates at low thermal Impact. Possible applications are coatings for wear protection or repair welding for components made of steel. The two energy sources (laser and Plasma arc) build a Joint process Zone and are configurated to constitute a stable process at laser powers between 0.4-1 kW (defocused) and Plasma currents between 75-200 A. Stainless steel 316L serves as filler material. For this HMD process, a Plasma Cu-nozzle is designed and produced by powder bed based Selective Laser Melting. The potential of the HMD Technology is investigated and discussed considering existing process. This paper demonstrates how the interaction of the two energy sources effects the following application-relevant properties: Deposition rate, powder Efficiency and energy Input.
Pores in additive manufactured metal parts occur due to different reasons and affect the part Quality negatively. Few investigations on the origins of porosity are available, especially for Ni-based super alloys. This paper presents a new study to examine the influence of common processing Parameters on the Formation of pores in parts built by laser metal Deposition using Inconel 718 powder. Further, a comparison between the computed tomography (CT) and the Archimedes method was made. The Investigation Shows that CT is able to identify different kinds of pores and to give further Information about their distribution. The identification of some pores as well as their shape can be dependent on the Parameter Setting of the Analysis tool. Due to limited measurement Resolution, CT is not able to identify correctly pores with Diameters smaller than 0.1 mm, which leads to a false decrease on Overall porosity. The applied Archimedes method is unable to differentiate between gas porosity and other Kinds of holes like internal cracks or lack of Fusion, but it delivered a proper value for Overall porosity. The method was able to provide suitable data for the statistical Evaluation with design of Experiments, which revealed significant Parameters ont he Formation of pores in LMD.
In den letzten Jahren hat vor allem die Nachfrage nach additiven Fertigungstechnologien und Reparaturverfahren für Hochfeste Werkstoffe einen starken Aufschwung erlebt. Ein Verfahren, welches sich neben der Herstellung von Beschichtungen besonders für diese Anwendungen eignet, ist das Laser-Pulver-Auftragschweißen. Es wird besonders für Reparaturen bzw. zur Herstellung von teuren Bauteilen, wie Werkzeuge oder Turbinenteilen, eingesetzt. Da diese Teile oft großen mechanischen sowie thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist es besonders wichtig, dass die erzeugte Struktur eine hohe Qualität aufweist. In dieser Arbeit wird die statistische Versuchsplanung genutzt, um Modelle für die Oberflächenbeschaffenheiten von Inconel 718 zu generieren. Als Grundlage dient hierbei ein zentral zusammengesetzter Versuchsplan mit großem Parameterfenster. So wird die Leistung zwischen 550 Watt und 1950 Watt, der Vorschub von 530 mm/min bis 920 mm/min, der Pulvermassenstrom von 3 g/min bis 12 g/min sowie der Spotdurchmesser von 1 mm bis 2 mm variiert. Auf diese Weise wird die Spurgeometrie beeinflusst. Darüber hinaus wird das Überlappungsverhältnis zwischen 20% bis 50% verändert. Die Auswertung der Oberflächenbeschaffenheit erfolgt mit dem auf der Fokusvariation basierendem Oberflächenmessgerät Alicona Infinite-Focus. Dieses Verfahren der 3D Mikrokoordinatenmesstechnik gewährleistet eine zuverlässige Auswertung der Spurgeometrie, der Welligkeit sowie die Messung der mittleren arithmetischen Höhe Sa zur Bestimmung der Oberflächenrauheit. Anschließend werden die generierten Modelle verifiziert. Ziel dabei ist, kostenintensive Vorversuche in Zukunft einzusparen. Darüber hinaus wird das Prozessverständnis erweitert und signifikante Einflussfaktoren identifiziert.
Unter der zyklischen R-Kurve versteht man die Abhängigkeit des Schwellenwertes gegen Ermüdungsrissausbreitung von der Risstiefe im Kurzrissbereich. Bei Spannungsverhältnissen R = omin/omax < ca. 0,7 erhöht sich der Schwellenwert AKltl ausgehend von einer intrinsischen, werkstoffspezifischen Untergrenze mit zunehmender Risstiefe, bis er einen risslängenunabhängigen Wert erreicht.
Ursache ist der graduelle Aufbau unterschiedlicher Rissschließeffekte. Die besondere Bedeutung des Kurzrisswachtums allgemein und der zyklischen R-Kurve speziell besteht darin, dass sie ein physikalisches Bindeglied zwischen der konventionellen Schwingfestigkeit (Wöhlerkurve) und der Bruchmechanik repräsentieren. Der Beitrag befasst sich sowohl mit der experimentellen Ermittlung der zyklischen R-Kurve als auch mit ihrer Anwendung auf Rissarrest im Zusammenhang mit Schwingfestigkeitsbetrachtungen.
Die experimentelle Ermittlung der zyklischen R-Kurve erfordert einen experimentellen Aufwand, der deutlich über den der Langrissbruchmechanik hinausgeht. Insbesondere im Anfangsbereich ist eine sehr genaue Messung der Risstiefe erforderlich, was eine Verbesserung etwa der konventionellen Potentialmethode erforderlich macht. Von wesentlicher Bedeutung ist auch, dass der Ausgangsriss vor
Beginn des eigentlichen Versuchs keine Rissschließeffekte gesehen haben darf. Realisiert wird das durch eine vorgeschaltete Phase von sog. „Compression Pre-cracking“, d.h. durch Anschwingen komplett im Druckbereich.
Die Verwendung von Low Transformation Temperature (LTT) Schweißzusatzwerkstoffen ist eine innovative Möglichkeit, um beim Schweißen von hochfesten Stählen die schweißbedingten Zugeigenspannungen zu reduzieren. Durch die Zugabe von Legierungselementen, wie beispielsweise Nickel oder Mangan haben diese Werkstoffe eine, im Vergleich zu herkömm-lichen Schweißzusatzwerkstoffen deutlich herabgesetzte Martensitstarttemperatur (MS). Dadurch ist es möglich, die schweißbedingten Zugeigenspannungen mit LTT-Schweißzusatz-werkstoffen gezielt zu reduzieren oder sogar Druckeigenspannungen zu erzeugen.
Im Verlauf vorangegangener Arbeiten hat sich herausgestellt, dass einige der untersuchten LTT-Legierungen aufgrund ihres Erstarrungs- bzw. Seigerungsverhaltens eine gegenüber vielen konventionellen Schweiß-zusatzwerkstoffen erhöhte Heißrisssensibilität aufweisen.
Die aktuellen Arbeiten zielen darauf, die Heißrissneigung neuartiger LTT-Schweißzusatzwerkstoffe weiter zu ergründen.
Die chemische Zusammensetzung der Schweißnaht und WEZ haben einen wesentlichen Einfluss auf die Schweißnahtqualität. Aktuelle Prüfmethoden für Schweißnähte können post factum messen und die Schweißfehler nicht verhindern.
Das Abbrandverhalten kann über die Erstarrung wesentlichen Einfluss haben und zu Versprödung oder Rissbildung führen. Die in situ Überwachung der chemischen Zusammensetzung der Schweißnähte gewährleistet eine kontrollierte Verfestigung und Beständigkeit gegen Schweißfehler. Ein in situ Schweißnahtprüfverfahren mittels LIBS wurde entwickelt.
IBESS Methology for the fracture mechanics-based determination of the fatigue strength of weldments
(2018)
The presentation provides a brief overview on the results of a German cluster project on the use of fracture mechanics to the determination of the fatigue strength of weldments with fatigue cracks originating at the weld toes. The approach includes (a) a concept for short crack propagation for which the common K concept is not applicable and the crack closure effects are still being gradually build-up, (b) a method for determining fatigue life relevant initial crack sizes as they are needed in any fracture mechanics analysis and (c) multiple cracking and crack coalescence at load levels higher than the endurance limit. The analyses are stochastically performed. Both, the endurance limit as defined for 107 loading cycles and the finite life branch of the S-N curve are determined.
Additive Manufacturing (AM) through the Selective Laser Melting (SLM) route offers ample scope for producing geometrically complex parts compared to the conventional subtractive manufacturing strategies. Nevertheless, the residual stresses which develop during the fabrication can limit application of the SLM components by reducing the load bearing capacity and by inducing unwanted distortion, depending on the boundary conditions specified during manufacturing.
The present study aims at characterizing the residual stress states in the SLM parts using different diffraction methods. The material used is the nickel based superalloy Inconel 718. Microstructure as well as the surface and bulk residual stresses were characterized. For the residual stress analysis, X-ray, synchrotron and neutron diffraction methods were used. The measurements were performed at BAM, at the EDDI beamline of -BESSY II synchrotron- and the E3 line -BER II neutron reactor- of the Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin.
The results reveal significant differences in the residual stress states for the different characterization techniques employed, which indicates a dependence of the residual state on the penetration depth in the sample. For the surface residual stresses, longitudinal and transverse stress components from both X-ray and synchrotron agree well and the obtained values were around the yield strength of the material. Furthermore, synchrotron mapping disclosed gradients along the width and length of the sample for the longitudinal and transverse stress components. On the other hand, lower residual stresses were found in the bulk of the material measured using neutron diffraction. The longitudinal component was tensile and decreased towards the boundary of the sample. In contrast, the normal component was nearly constant and compressive in nature. The transversal component was almost negligible. The results indicate that a stress re-distribution takes place during the deposition of the consecutive layers. Further investigations are planned to study the phenomenon in detail.