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Die additive Fertigung (ugs. „3D-Druck“) ist bei der Herstellung von hochkomplexen metallischen Bauteilen, bionisch inspiriertem Leichtbau oder Prototypen nicht mehr wegzudenken.
Für die konventionelle Fertigung hat sich das bestehende System der Qualitätsinfrastruktur (QI) bewährt. Die additive Fertigung vergrößert den gestalterischen Spielraum von möglichen Bauteilgeometrien und Prozessfehlern jedoch erheblich. Hier gerät die QI an ihre Grenzen, sodass die Fertigung und Zulassung sicherheitsrelevanter Bauteile sehr zeit- und kostenintensive Versuche erfordern. Eine moderne digitale QI erlaubt eine effizientere Qualitätssicherung für additiv gefertigte Bauteile. Dies erfordert eine durchgängig digitale Abbildung des physischen Materialflusses.
Der Vortrag stellt nach einer kurzen allgemeinen Einleitung zur additiven Fertigung und des Laser Powder Bed Fusion Verfahrens einige Herausforderungen vor, die derzeitig den Einsatz von AM-Komponenten in sicherheitsrelevanten Anwendungen erschweren. Abschließend werden zwei Beispiele von Arbeiten der BAM gezeigt, die zur Überwindung dieser Herausforderungen beitragen können.
Als Beispiel für moderne Produktion ist die additive Fertigung (ugs. „3D-Druck“) bei der Herstellung von hochkomplexen metallischen Bauteilen, bionisch inspiriertem Leichtbau oder Prototypen nicht mehr wegzudenken. Die Qualitätssicherung (QS) von Bauteilen für sicherheitskritische Anwendungen stellt jedoch noch eine Herausforderung dar. Die Additive Fertigung (AM) ist ein vergleichsweise junges und datenintensives Fertigungsverfahren. Daher ist es ideal geeignet, die neuen Werkzeuge einer digitalen Qualitätsinfrastruktur (QI) für die moderne Produktion zu erproben und weiterzuentwickeln.
Entwicklung der Mikrostruktur der mechanischen Eigenschaften und der Eigenspannungen in L-PBF 316L
(2022)
Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe mittels Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ermöglicht einzigartige hierarchische Mikrostrukturen, die zu Verbesserungen bestimmter mechanischer Eigenschaften gegenüber konventionell hergestellten Varianten derselben Legierung führen können. Allerdings ist das L-PBF-Verfahren häufig durch das Vorhandensein hoher Eigenspannungen gekennzeichnet, die es zu verstehen und zu mindern gilt. Daher ist das Verständnis der Mikrostrukturen, der Eigenspannungen und der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften entscheidend für eine breite Akzeptanz bei sicherheitskritischen Anwendungen. Die BAM hat ein multidisziplinäres Forschungsprogramm gestartet, um diese Aspekte bei LPBF 316L zu untersuchen. Der vorliegende Beitrag stellt einige der wichtigsten Ergebnisse vor: der Einfluss von Prozessparametern auf die Mikrostruktur, der Einfluss von Mikrostruktur und Textur auf die Festigkeit, Kriechverhalten und Schädigung und die Stabilität von Eigenspannungen und Mikrostruktur unter Wärmebehandlungsbedingungen.
Der Vortrag stellt die Arbeiten der BAM in der Initiative QI-Digital vor, in deren Rahmen Lösungen für eine moderne und digitale Qualitätsinfrastruktur entwickelt werden. Schwerpunkt liegt auf dem zentralen Werkzeug Quality-X sowie dem Pilotprojekt "Moderne Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung".
Überblick über die derzeitig wichtigsten additiven Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe in der Industrie (PBF, DED, BJT) und Berücksichtigung der wesentlichen Prozessmerkmale und Nachbearbeitungsschritte. Vorstellung der wichtigsten Defektphänomene und Nennung von Ursachen und Abhilfemaßnahmen.
Für die konventionelle Fertigung hat sich das bestehende System der Qualitätsinfrastruktur (QI) bewährt. Die additive Fertigung vergrößert den gestalterischen Spielraum von möglichen Bauteilgeometrien und Prozessfehlern jedoch erheblich. Hier gerät die QI an ihre Grenzen, sodass die Fertigung und Zulassung sicherheits-relevanter Bauteile sehr zeit- und kostenintensive Versuche erfordern. Eine moderne digitale QI erlaubt eine effizientere Qualitätssicherung für additiv gefertigte Bauteile. Dies erfordert eine durchgängig digitale Abbildung des physischen Materialflusses.
Die Entwicklung einer digitalen QI ermöglicht die objektive Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung und macht die Technologie gerade auch für kleine und mittelständische Unternehmen besser nutzbar. Sie wird vollwertig im Rahmen des Qualitätsanspruchs „Made in Germany“ einsetzbar – gerade auch beim Umbruch in Industriezweigen. Der Vortrag gibt Einblicke in aktuelle Arbeiten und die Ziele des Use Case Additive Fertigung.
Die mechanischen Eigenschaften und die Standardparametersätze werden im additiven Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) zumeist an Körpern ermittelt, die unter festen Randbedingungen gefertigt werden. In der Literatur wird allerdings von verschiedenen Autoren auf einen Einfluss von Geometrie und Prozess auf die resultierenden Eigenschaften hingewiesen [1, 2, 3]. Aufgrund des häufig großen Komplexitätsgrads von L-PBF Bauteilen und Prozessen, ist eine Abweichung angenommener Eigenschaften daher nicht auszuschließen. Das kann besonders für tragende und sicherheitsrelevante Komponenten kritisch sein und ist eine Herausforderung für die Qualitätssicherung. Aufwendige Trial-and-Error Versuche sind zumeist die Folge. Ein einheitliches und umfassendes Verständnis der Einflussfaktoren auf die resultierenden Eigenschaften im L-PBF Prozess ist zum aktuellen Stand nicht vorhanden.
In diesem Vortrag werden erste Ergebnisse einer Studie vorgestellt, in der systematisch die Bandbreite möglicher Defekt- und Mikrostrukturvariationen in L-PBF Bauteilen am Beispiel der Nickelbasislegierung Haynes 282 untersucht wird. Aufbauend auf einer modellbasierten Beschreibung des lokalen Wärmehaushalts wurden Versuchspläne entwickelt, die eine Vielzahl möglicher Prozess- und Geometriekonfigurationen realer Anwendungen abbilden können. Zur Untersuchung des Geometrieeinflusses wurden typische Geometrieelemente komplexer Strukturen und deren Ausprägungen identifiziert. Prozessseitig wurden die Position im Bauraum, Schwankungen der Laserleistung, die Zwischenlagenzeit und die Belichtungsstrategie innerhalb der Schicht als typische Faktoren berücksichtigt. Die Zwischenlagenzeit bildet dabei Variationen im Bauraumfüllgrad ab. Die Belichtungsstrategie untersucht Effekte wie die Zwischenvektorzeit (engl. inter vector time, IVT) oder die lokale Vektorlänge. Die verschiedenen Konfigurationen wurden metallografisch bewertet. Die bisherigen Ergebnisse können einen Einfluss der Geometrie und des Prozesses auf die Defektbildung und die Mikrostruktur in L-PBF Bauteilen aufzeigen. Durch prozessbegleitende thermografische in situ Messungen konnte außerdem eine Abhängigkeit von lokalen und globalen Temperaturfeldern identifiziert werden. Die Erkenntnisse zeigen zudem, dass der geometrische Einfluss auf den lokalen Wärmehaushalt von Anordnung, Gestalt und Dimensionen der zweidimensionalen Belichtungsbereiche über die Aufbauhöhe abhängt. Das gewonnene Verständnis soll in die Entwicklung von Konstruktionsrichtlinien und Prüfkörpern einfließen, um Variationen lokaler Bauteileigenschaften in der zukünftigen Bauteil- und Prozessauslegung berücksichtigen zu können.
In-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung von Metallen (PBF-LB /M) mittels TT und ET
(2022)
Durch die additive Fertigung ergeben sich durch die nun mögliche wirtschaftliche Fertigung hochgradig individueller und komplexer metallischer Bauteile in kleinen Stückzahlen bis hinunter zum Einzelstück für viele Industriebereiche ganz neue Möglichkeiten.
Gleichzeitig entstehen jedoch neue Herausforderungen im Bereich der Qualitätssicherung, da sich auf statistischen Methoden beruhende Ansätze nicht anwenden lassen, ohne wiederum die Vorteile der Fertigung massiv einzuschränken.
Eine mögliche Lösung für dieses Problem liegt in der Anwendung verschiedener In-situ-Überwachungstechniken während des Bauprozesses. Jedoch sind nur wenige dieser Techniken kommerziell verfügbar und noch nicht so weit erforscht, dass die Einhaltung strenger Qualitäts- und Sicherheitsstandards gewährleistet werden kann. In diesem Beitrag stellen wir die Ergebnisse einer Studie über mittels L-PBF gefertigte Probekörper aus der Nickelbasis-Superlegierung Haynes 282 vor, bei denen die Bildung von Defekten durch lokale Variationen der Prozessparameter wie der Laserleistung provoziert wurde. Die Proben wurden in-situ mittels Thermographie, optischer Tomographie, Schmelzbadüberwachung und Wirbelstromprüfung sowie ex-situ mittels Computertomographie (CT) überwacht, mit dem Ziel, die Machbarkeit und die Aussichten der einzelnen Methoden für die zuverlässige Erkennung der Bildung relevanter Defekte zu bewerten.
Heterogene Fehlstellendichten und Mikrostrukturausbildungen sind große Herausforderungen für den Einsatz des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens (L PBF) besonders für sicherheitskritische Bauteile. Unter der Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Qualität und die mechanischen Eigenschaften von L PBF-Bauteilen hat die Zwischenlagenzeit (ILT) bisher wenig Beachtung gefunden. Sie nimmt ebenso wie die Bauteilgeometrie Einfluss auf die thermische Historie während der Fertigung. Ihr Einfluss auf die intrinsische Vorerwärmung ist in Kombination mit der Bauteilhöhe mittels thermografischer Temperaturmessung untersucht worden. Signifikante Unterschiede in der thermischen Historie konnten dabei mit variierenden Schmelzbaddimensionen, Korngrößen und Fehlstellendichten am Beispiel der austenitischen Stahllegierung AISI 316L in Zusammenhang gebracht werden.
The round robin test investigated the reliability users can expect for AlSi10Mg additive manufactured specimens by laser powder bed fusion through examining powder quality, process parameter, microstructure defects, strength and fatigue. Besides for one outlier, expected static material properties could be found. Optical microstructure inspection was beneficial to determine true porosity and porosity types to explain the occurring scatter in properties. Fractographic analyses reveal that the fatigue crack propagation starts at the rough as-built surface for all specimens. Statistical analysis of the scatter in fatigue using statistical derived safety factors concludes that at a stress of 36.87 MPa the fatigue limit of 107 cycles could be reached for all specimen with a survival probability of 99.999 %.
This study provides insights into the properties of 316L stainless steel produced by additive manufacturing using fused filament fabrication (FFF). One key finding is particularly noteworthy: in significant contrast to cold-rolled 316L, FFF316L develops a pronounced martensite phase after fabrication. The comprehensive comparative analysis shows that FFF316L not only retains the ferrite volume content, but that this is also significantly influenced by the build-up direction. Despite the sintering process, which typically involves densification of the material, a pore volume fraction of 8.45 % remains, which influences the mechanical properties. Although FFF316L has lower elastic
modulus and tensile strength values compared to cold-rolled 316L, its ductility is still competitive. The study further reveals that deformation-induced martensite forms at the intersections of the deformation twins and ferrite islands form at the grain boundaries during the compression and sintering phases. These findings highlight the challenges associated with FFF316L in specific application fields and signal the need to continue to carefully evaluate and improve the development of manufacturing technologies.
Heterogene Fehlstellendichten und Mikrostrukturausbildungen sind große Heraus-forderungen für den Einsatz des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens (L PBF) besonders für sicherheitskritische Bauteile. Unter der Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Qualität und die mechanischen Eigenschaften von L PBF-Bauteilen hat die Zwischenlagenzeit (ILT) bisher wenig Beachtung gefunden. Sie nimmt ebenso wie die Bauteilgeometrie Einfluss auf die thermische Historie während der Fertigung. Ihr Einfluss auf die intrinsische Vorerwärmung ist in Kombination mit der Bauteilhöhe mittels thermografischer Temperaturmessung untersucht worden. Signifikante Unterschiede in der thermischen Historie konnten dabei mit variierenden Schmelzbaddimensionen, Korngrößen und Fehlstellendichten am Beispiel der austenitischen Stahllegierung AISI 316L in Zusammenhang gebracht werden.
In this presentation we discuss the online monitoring of metallic AM parts produced by the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process by using optical, thermographic and electromagnetic methods. In a first approach we present the detection of defects generated during the process and discuss how to improve these methods for the optimization of design and production of metallic AM parts.
Additive manufacturing (AM) processes allow a high level of freedom in designing and producing components for complex structures. They offer the possibility of a significant reduction of the process chain. However, the large number of process parameters influence the structure and the behavior of AM parts. A thorough understanding of the interdependent mechanisms is necessary for the reliable design and production of safe AM parts.
In this presentation we discuss the online monitoring of metallic AM parts produced by the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process by using optical, thermographic and electromagnetic methods. In a first approach we present the detection of defects generated during the process and discuss how to improve these methods for the optimization of design and production of metallic AM parts.
Das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen (engl. laser powder bed fusion, L-PBF) ist die am weitesten verbreitete additive Fertigungstechnologie für die Herstellung metallischer Komponenten. Unter der Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Qualität und die mechanischen Eigenschaften von L-PBF-Bauteilen hat die Zwischenlagenzeit (engl. inter layer time, ILT) bisher kaum Beachtung in der wissenschaftlichen Literatur gefunden, obwohl sie je nach Bauraumausnutzungsgrad stark variieren kann. In diesem Vortrag werden Ergebnisse einer Studie präsentiert, die den Einfluss der ILT in Kombination mit der Bauteilhöhe und unter Berücksichtigung verschiedener Volumenenergiedichten am Beispiel der austenitischen Stahllegierung AISI 316L untersucht. Die Fertigungsprozesse wurden in-situ mittels Thermographiekamera überwacht. Auf diese Weise konnten intrinsische Vorerwärmungstemperaturen während der Bauteilfertigung lagenweise extrahiert werden. Es wurden signifikante Effekte der ILT und der Bauteilhöhe auf Wärmeakkumulation, Mikrostruktur, Schmelzbadgeometrie und Härte festgestellt. Ferner konnte ein Anstieg von Defektdichten bei einem gegenseitigen Wechselspiel aus Bauteilhöhe und ILT aufgezeigt werden. Die Zwischenlagenzeit wurde somit als kritischer Faktor für die L-PBF-Fertigung von Realbauteilen identifiziert.
The formation of defects such as keyhole pores is a major challenge for the production of metal parts by Laser Powder Bed Fusion (LPBF). The LPBF process is characterized by a large number of influencing factors which can be hard to quantify. Machine Learning (ML) is a prominent tool to predict the outcome of complex processes on the basis of different sensor data. In this study, a ML model for defect prediction is created using thermographic image features as input data. As a reference, the porosity information calculated from an x-ray Micro Computed Tomography (µCT) scan of the produced specimen is used. Physical knowledge about the keyhole pore formation is incorporated into the model to increase the prediction accuracy. From the prediction result, the quality of the input data is evaluated and future demands on in-situ monitoring of LPBF processes are formulated.
Das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen (engl. laser powder bed fusion, L-PBF) ist die am weitesten verbreitete additive Fertigungstechnologie für die Herstellung metallischer Komponenten. Unter der Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Qualität und die mechanischen Eigenschaften von L PBF-Bauteilen hat die Zwischenlagenzeit (engl. inter layer time, ILT) bisher kaum Beachtung in der wissenschaftlichen Literatur gefunden, obwohl sie je nach Bauraumausnutzungsgrad stark variieren kann. In diesem Vortrag werden Ergebnisse einer Studie präsentiert, die den Einfluss der ILT in Kombination mit der Bauteilhöhe und unter Berücksichtigung verschiedener Volumenenergiedichten am Beispiel der austenitischen Stahllegierung AISI 316L untersucht. Die Fertigungsprozesse wurden in situ mittels Thermographiekamera überwacht, sodass Informationen über das Abkühlverhalten der Bauteile während des Prozesses gewonnen werden konnten. Es wurden signifikante Effekte der ILT und der Bauteilhöhe auf Wärmeakkumulation, Mikrostruktur, Schmelzbadgeometrie und Härte festgestellt. Ferner konnte ein Anstieg von Defektdichten bei einem gegenseitigen Wechselspiel aus Bauteilhöhe und ILT aufgezeigt werden. Die Zwischenlagenzeit wurde somit als kritischer Faktor für die L-PBF-Fertigung von Realbauteilen identifiziert.
AbstractPowder Bed Fusion with Laser Beam of Metals (PBF-LB/M) has gained more industrial relevance and already demonstrated applications at a small series scale. However, its widespread adoption in various use cases faces challenges due to the absence of interfaces to established Manufacturing Execution Systems (MES) that support customers in the predominantly data-driven quality assurance. Current state-of-the-art PBF-LB/M machines utilize communication architectures, such as OPC Unified Architecture (OPC UA), Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) and Representational State Transfer Application Programming Interface (REST API). In the context of the Reference Architecture Model Industry 4.0 (RAMI 4.0) and the Internet of Things (IoT), the assets, particularly the physical PBF-LB/M machines, already have an integration layer implemented to communicate data such as process states or sensor values. Missing is an MES component acting as a communication and information layer. To address this gap, the proposed Extract Transform Load (ETL) pipeline aims to extract relevant data from the fabrication of each build cycle down to the level of scan vectors and additionally to register process signals. The suggested data schema for archiving each build cycle adheres to all terms defined by ISO/TC 261—Additive Manufacturing (AM). In relation to the measurement frequency, all data are reorganized into entities, such as the AM machine, build cycle, part, layer, and scan vector. These scan vectors are stored in a runtime-independent format, including all metadata, to be valid and traceable. The resulting machine log represents a comprehensive documentation of each build cycle, enabling data-driven quality assurance at process level.
The industrialization of AM is only possible by creating synergy with the tools of Industry 4.0. The system technology of Powder Bed Fusion with Laser beam of Metals (PBF-LB/M) reached a level of high performance in terms of process stability and material spectrum in the past years. However, the digital process chain, starting from CAD via CAM and plant-specific compila-tion of the manufacturing file exhibits media disruptions. The consequence is a loss of metadata. A uniform data scheme of simulation for Design for Additive Manufacturing (DfAM), the PBF-LB/M process itself and quality assurance is currently not realized within industry. There is no entity in the common data flows of the process chains, that enables the integration of these functionalities. As part of the creation of a digital quality infrastructure in the QI-Digital pro-ject, an integration of the CAD/CAM chain is being established. The outcome is a file in an advanced commercially available format which includes all simula-tions and manufacturing instructions. The information depth of this file extends to the level of the scan vectors and allows the automatic optimization and holis-tic documentation. In addition, the KPI for the economic analysis are generated by compressing information into a unique file combined with the application of a digital twin. The implementation and advantages of this solution are demon-strated in a case study on a multi-laser PBF-LB/M system. A build job contain-ing a challenging geometry is thermally simulated, optimized, and manufac-tured. To verify its suitability for an Additive Manufacturing Service Platform (AMSP), the identical production file is transferred to a PBF-LB/M system of another manufacturer. Finally, the achieved quality level of the build job is evaluated via 3D scanning. This evaluation is carried out in the identical entity of the production file to highlight the versatility of this format and to integrate quality assurance data.
Additive manufacturing (AM) processes such as laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are rapidly gaining popularity in repair applications. Gas turbine components benefit from the hybrid repair process as only damaged areas are removed using conventional machining and rebuilt using an AM process. However, hybrid repair is associated with several challenges such as component fixation and precise geometry detection. This article introduces a novel fixturing system, including a sealing concept to prevent powder sag during the repair process. Furthermore, a high-resolution camera within an industrial PBF-LB/M machine is installed and used for object detection and laser recognition. Herein, process related inaccuracies such as PBF-LB/M laser drift is considered by detection of reference objects. This development is demonstrated by the repair of a representative gas turbine blade. The final offset between AM build-up and component is analysed. An approximate accuracy of 160 μm is achieved with the current setup.
One of the main advantages of additive manufacturing (AM) processes such as laser powder bed fusion (PBF-LB/M) is the possibility to manufacture complex near-net-shape components. Therefore, the PBF-LB/M process is becoming increasingly important for the manufacturing and repair of gas turbine blades. Despite the great freedom in design, there are also limitations to the process. Manufacturing overhangs or bridging voids are some of the main challenges. In the conventional PBF-LB/M process, overhangs with angles up to 45° can be manufactured. However, gas turbine blades feature voids for cooling, which have to be bridged when using PBF-LB/M. In this work, different concepts for bridging voids are developed for future application in gas turbine blade repair. For this purpose, a test geometry is derived from the tip area of a gas turbine blade as a reference. By changing the initial geometry of the reference body, different designs for bridging voids are developed based on the PBF-LB/M requirements. Subsequently, these distinct designs are manufactured by PBF-LB/M. The different approaches are compared with respect to their volume increase. In addition, the specimens are visually inspected for warpage, shrinkage and imperfections by overheating. Out of the seven concepts developed, three concepts can be recommended for gas turbine blade repair based on low volume increase, distortion and shrinkage.
Additively manufactured components are characterized by heterogeneous mechanical properties due to variations of the microstructure, flaws and residual stresses resulting from the inhomogeneous fabrication process. The large number of influencing factors poses a further challenge in understanding the correlation between material properties, process parameters and component geometry. Therefore, the qualification of components based on witness specimens produced within the same job is questionable. This work aims to present a new strategy for the characterization of PBF-LB/M components based on representative specimens. The key assumption is the feasibility of a transfer of the thermal history from a component to a specimen. It is assumed that similar material properties are determined for components and specimens produced adopting a similar thermal history. After the definition of a region of interest in the component, a combination of thermal analyses by means of finite elements and in-situ experimental determination of the thermal history through infrared thermography is used to produce test coupons with a similar thermal history. The effectiveness of the procedure is demonstrated on a pressure vessel for applications in the chemical industry.
This article reports temperature-dependent elastic properties (Young’s modulus, shear modulus) of three alloys measured by the dynamic resonance method. The alloys Ti-6Al-4V, Inconel IN718, and AISI 316 L were each investigated in a variant produced by an additive manufacturing processing route and by a conventional manufacturing processing route. The datasets include information on processing routes and parameters, heat treatments, grain size, specimen dimensions, and weight, as well as Young’s and shear modulus along with their measurement uncertainty. The process routes and methods are described in detail. The datasets were generated in an accredited testing lab, audited as BAM reference data, and are hosted in the open data repository Zenodo. Possible data usages include the verification of the correctness of the test setup via Young’s modulus comparison in low-cycle fatigue (LCF) or thermo-mechanical fatigue (TMF) testing campaigns, the design auf VHCF specimens and the use as input data for simulation purposes.
Heat accumulation during laser powder bed fusion (LPBF) of metallic build parts can adversely affect their microstructure and mechanical properties. To study the heat accumulation during 316L steel based parts manufactured by LPBF, a finite element method (FEM) based numerical study is carried out. For the investigation, a computationally efficient FEM based model, where the whole layer is simultaneously exposed to a heat source, is used. The simulation results are compared with experimental results to validate the numerical model. While considering different influencing factors such as volumetric energy density (VED) and inter-layer time (ILT), the FEM model is shown to successfully simulate the process of heat accumulation during LPBF based manufacturing of a cuboidal shaped geometry. It is shown that ILT and VED have a significant effect on heat accumulation. The validated numerical model provides a good basis for the optimization of processing parameters and geometries for a future investigation of a reduction of heat accumulation effects. Furthermore, it can be used to quickly provide preheating boundary conditions for detailed investigations by different model approaches at a finer scale for future studies.
State-of-the-art laser powder bed fusion (PBF-LB/M) machines allow pre-heating of the substrate plate to reduce stress and improve part quality. However, two major issues have been shown in the past: First, with increasing build height the apparent pre-heat temperature at the surface can deviate drastically from the nominal pre-heat temperature in the substrate plate. Second, even within a single layer the local surface pre-heat temperature can show large gradients due to thermal bottlenecks in the part geometry underneath the top surface. Both lead to unwanted changes in microstructure or defects in the final parts. In this study, a first attempt is taken to show the feasibility of pre-heating the top surface with the onboard laser beam to overcome the mentioned issues. A single layer of a group of three parts built from IN718 to a height of 33.5 mm is pre-heated in a commercially available PBF-LB/M machine to an average steady state surface temperature of 200 °C using the onboard laser beam. The parts are continuously heated, omitting powder deposition and melting step. Temperatures are measured by thermocouples underneath the surface. The experiments are supported by a thermal finite element (FE) model that predicts the temperature field in the parts. When heating the parts uniformly with the laser beam, differences in surface temperatures as large as 170 K are observed. To overcome this inhomogeneity, the heat flux supplied by the laser beam is modulated. An optimized, spatial heat flow distribution is provided by the thermal FE model and translated into a scan pattern that reproduces the optimized heat distribution on the PBF-LB/M machine by locally modulating hatch distance and scan velocity. This successfully reduces the differences in surface temperature to 20 K. Thermographic imaging shows that a homogeneous surface temperature can be achieved despite the localized heat input by the beam. The potential for industrial application of the optimized laser-heating technique is discussed.
This article is an outcome of a workshop on Fatigue of Additive Manufactured Metallic Components jointly organized by the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) Berlin, Germany and the National Institute of Standards and Technology (NIST) Boulder, CO, U.S.A. The aim of the workshop was a comprehensive discussion of the specific aspects of additively manufactured (AM) components in regard to failure under cyclic loading. Undoubtedly, a better understanding and the further development of approaches for damage tolerant component design of AM parts are among the most significant challenges currently facing the use of these new technologies.
This article presents a thorough overview of the workshop discussions. It aims to provide a review of the parameters affecting the damage tolerance of AM parts with special emphasis on the process parameters intrinsic to the AM technologies, the resulting defects and residual stresses. Based on these aspects, concepts for damage tolerant component design for AM are reviewed and critically discussed.