Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Additive manufacturing (AM) technologies are experiencing an exceedingly rapid growth, driven by their potential through layer wise deposition for transformational improvements of engineering design, leading to efficiency and performance improvements. Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is an Additive Manufacturing (AM) method which permits the fabrication of complex structures that cannot otherwise be produced via conventional subtractive manufacturing methods. Nevertheless, the rapid cooling rates associated with this process results in the formation of significant and complex residual stress (RS) fields. A large body of both experimental and simulation research has been dedicated in recent years to the control and mitigation of RS in AM. In order to validate simulations with the end goal of being able to model the residual stress state in AM components and to devise strategies for their reduction during manufacturing, experimental methods need to be able to accurately determine 3D residual stresses fields in complex geometries. Several destructive and non-destructive methods can be used to analyze the RS state, the choice of which depends on the geometry and the information required. Diffraction-based methods using penetrating neutron and synchrotron X-rays at large scale facilities offer the possibility to non-destructively spatially resolve both surface and bulk residual stresses in complex components and track their changes following applied thermal or mechanical loads. This presentation will overview the success stories of using large scale facilities by the BAM for the characterization of residual stresses in additively manufactured metallic alloys. In particular, the study of the influence of process parameters on the residual stress state and the relaxation of these stresses through heat treatment will be presented. However there remains challenges to overcome particularly of the hypotheses underlying the experimental determination of residual stresses, which will be discussed.
Al-Si alloys produced by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) techniques allow the fabrication of lightweight free-shape components. Due to the high cooling rates occurring during the building process, L-PBF AlSi10Mg alloys exhibit an ultra-fine microstructure that leads to superior mechanical properties in the as-built condition compared to conventional cast Al-Si materials. Nevertheless, L-PBF processing induces high thermal gradients, leading to deleterious residual stress. In order to relax detrimental residual stress and to increase the ductility, post-processing stress relief treatments are performed. The objective of the contribution is to investigate, under different heat treatment condition, the evolution of microstructure and residual stresses in view of optimizing the fatigue performance of the alloy. To this purpose various heat treatments in a range of temperatures between 265°C and 300°C for a duration between 15 minutes and 2 hours are performed.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen.
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.
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.
Für die Prozessüberwachung in der additiven Fertigung (AM) werden Sensoren und Messsysteme zur Kontrolle der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren 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 praktische Umsetzungen.
Ein neues Projekt der BAM im Themenfeld Material hat daher das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen zu entwickeln. Dies beinhaltet neben passiver und aktiver Thermografie die optische Tomografie, die optische Emissionsspektroskopie, die Wirbelstromprüfung, die Laminografie, die Röntgenrückstreuung und photoakustische Verfahren. Diese Verfahren werden in verschiedenen AM-Systemen zum selektiven Laserschmelzen, zum Laser-Pulver-Auftragsschweißen und zum Lichtbogenschweißen mit Drahtzuführung zum Einsatz gebracht. Für die zum Teil sehr großen Datenmengen werden Algorithmen für ein effizientes Preprocessing entwickelt und Merkmale der Messdaten in Korrelation zu Fehlern und Inhomogenitäten extrahiert, welche mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik ermittelt werden. Die Ergebnisse der Einzelverfahren werden fusioniert und mit den Fertigungsparametern korreliert. Diese Prozessüberwachung soll eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion bewirken.
Im Beitrag wird zunächst das Projekt als Ganzes vorgestellt und dann der Fokus auf die Thermografie mit Detektoren in verschiedenen Wellenlängenbereichen gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und experimentelle Ergebnisse im Vergleich zur optischen Tomografie und weiterer Verfahren präsentiert.
The present study deals with the experimental characterization of short crack propagation in SLM (selective-laser-melting) manufactured stainless steel. More specifically, the determination of cyclic R-curves is discussed. This describes the dependency of the crack propagation threshold on crack growth during the short crack propagation stage. For metals, the threshold, starting at a material-intrinsic value, increases until it reaches a value independent of the crack length due to crack closure phenomena which build up at that stage. The cyclic R-curve, when used in the frame of a cyclic R curve analysis, characterizes the resistance of a material to fatigue crack growth and the ability to arrest a physically short crack. Thus, it is the link between classical fatigue and fracture mechanics. In the high-cycle-fatigue range, the short crack propagation stage dominates the overall lifetime, i.e., the number of cycles until failure. Below the fatigue limit crack arrest of hitherto propagable micro-cracks will occur. The effort for the experimental characterization of the short fatigue crack propagation behavior and the cyclic R-curve is very high compared to experiments on long crack propagation. A very exact measurement of crack extension is required, since small increments need to be depicted. Pre-cracking must leave a closure free initial crack, since closure must be build up only by the cyclic R-curve. The closure-free status is achieved by compression pre-cracking. The aim of the present study is an insight into the influence of an AM process on the short crack propagation threshold. Cyclic R-curves are experimentally determined at different load-ratios for 316L austenitic steel specimens produced by SLM and conventional manufacturing. Residual stresses are measured in the crack plane and their influence on the cyclic R-curve is discussed.
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.
The present study deals with the experimental characterization of short crack propagation in SLM (selective-laser-melting) manufactured stainless steel. More specifically, the determination of cyclic R-curves is discussed. This describes the dependency of the crack propagation threshold on crack growth during the short crack propagation stage. For metals, the threshold, starting at a material-intrinsic value, increases until it reaches a value independent of the crack length due to crack closure phenomena which build up at that stage. The cyclic R-curve, when used in the frame of a cyclic R curve analysis, characterizes the resistance of a material to fatigue crack growth and the ability to arrest a physically short crack. Thus, it is the link between classical fatigue and fracture mechanics. In the high-cycle-fatigue range, the short crack propagation stage dominates the overall lifetime, i.e., the number of cycles until failure. Below the fatigue limit crack arrest of hitherto propagable micro-cracks will occur. The effort for the experimental characterization of the short fatigue crack propagation behavior and the cyclic R-curve is very high compared to experiments on long crack propagation. A very exact measurement of crack extension is required, since small increments need to be depicted. Pre-cracking must leave a closure free initial crack, since closure must be build up only by the cyclic R-curve. The closure-free status is achieved by compression pre-cracking. The aim of the present study is an insight into the influence of an AM process on the short crack propagation threshold. Cyclic R-curves are experimentally determined at different load-ratios for 316L austenitic steel specimens produced by SLM and conventional manufacturing. Residual stresses are measured in the crack plane and their influence on the cyclic R-curve is discussed.