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Eine kritische Aufgabe im Rahmen der Etablierung von Prozess-Struktur-Eigenschafts-Performance-Beziehungen bei der additiven Fertigung (AM) von Metallen ist die Ermittlung von zuverlässigen und gut dokumentierten Kennwerten zum Materialverhalten sowie das Schaffen von Wissen über die Struktur-Eigenschafts-Korrelation. Schließlich ist dies die Grundlage für die Entwicklung gezielterer Prozessoptimierungen und zuverlässigerer Lebensdauer-Vorhersagen. In diesem Zusammenhang zielt dieser Beitrag darauf ab, Daten und Erkenntnisse über das Kriechverhalten des austenitischen Edelstahls 316L zu liefern, der mittels Laser-Powder-Bed-Fusion (L-PBF) hergestellt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Proben aus konventionellem warmgewalztem sowie AM-Material gemäß den bestehenden Normen für konventionelles Material geprüft und vor und nach dem Versagen mikrostrukturell charakterisiert. Die Probekörper wurden aus einzelnen Blöcken des AM-Materials gefertigt. Die Blöcke wurden mit einer Standard-Scan- und Aufbaustrategie hergestellt und anschließend wärmebehandelt. Das Kriechverhalten wird anhand der Kriechlebensdauer und ausgewählter Kriechkurven und Kennwerte beschrieben und vergleichend bewertet. Der Einfluss von Defekten und Mikrostruktur auf das Materialverhalten wird anhand von zerstörenden und zerstörungsfreien Auswertungen an ausgewählten Proben analysiert. Der AM-Werkstoff zeigt kürzere Kriechlebensdauern, erreicht das sekundäre Kriechstadium deutlich schneller und bei geringerer Dehnung und weist eine geringere Kriechduktilität im Vergleich zu seinem konventionellen Gegenstück auf. Das Kriechschädigungsverhalten des AM-Werkstoffs ist eher mikrostruktur- als defektgesteuert und ist durch die Bildung intergranularer Kriechrisse gekennzeichnet. Als kritische Merkmale werden die Versetzungsdichte sowie die Versprödung der Korngrenzen identifiziert. Die Mikro-Computertomographie (µCT) erweist sich als Alternative zur Metallographie, um die Kriechschädigung zu analysieren.
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.
Die Erzeugung rissschließfreier Anrisse in gekerbten bruchmechanischen Proben für anschließende Ermüdungsversuche kann durch eine zyklische Druckbelastung an der Kerbe erfolgen: Bei der Erstbelastung wird eine plastische Verformung an der Kerbspitze erzeugt, welche Zugeigenspannungen und damit eine risstreibende Kraft bei der folgenden zyklischen Druckbelastung hervorruft. Durch das Risswachstum kommt es zu einer Entspannung, bis der Riss schließlich arretiert, weil die effektive risstreibende Kraft auf den Schwellenwert abgesunken ist. Um Kurzrisswachstum in additiv, mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) gefertigtem AISI 316L Stahl und seinem konventionell erzeugten, warmgewalzten Pendant zu untersuchen, wurde dieses Verfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzt. Im Falle des additiv gefertigten Materials kam es zu unerwartet langem Ermüdungsrisswachstum, bevor der Riss arretierte. Zur Ermittlung der Ursache erfolgte eine Messung der Eigenspannungsverteilungen mittels Neutronendiffraktion in der Kerbebene der additiv gefertigten Proben. Anschließend wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation des Ermüdungsrisswachstums in konventionellem und additiv gefertigtem Material implementiert. Im Rahmen dieses Vortrages wird insbesondere auf das Vorgehen bei der Simulation und auf die getroffenen Annahmen und Vereinfachungen eingegangen. Die Resultate werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und das für die Simulation von Risswachstum genutzte Knoten-Freigabe-Verfahren (Node-Release), das Einbringen von Eigenspannungen als initiale Spannungen in der Simulation, und die Rechengrößen zur Quantifizierung der risstreibenden Kraft kritisch diskutiert.
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.
Material extrusion of thermoplastic polymers enables the realization of complex specific designs with high performance composites. The present study aims at evaluating the mechanical properties of carbon fiberreinforced semi-crystalline thermoplastic polymer polyether ether ketone (CFR-PEEK) manufactured by material extrusion and correlating them with results obtained by micro-CT. Samples in the shape of small bars were provided by Kumovis (Munich, Germany). The determination of surface roughness and density was followed by three-point bending tests. To reveal the pore distribution as well as the fusion quality of CFR PEEK when applied with external forces, micro-CT scans were performed with an X-ray microscope before and after the mechanical test to localize the sites where the fracture is generated. The density of CFR-PEEK bars indicated that they had superior mechanical properties compared with our previous study on unfilled 3D printed PEEK (bending modulus: (5.4 ± 0.5) GPa vs. (1.05 ± 0.05) GPa to (1.48 ± 0.10) GPa; bending strength: (167 ± 11) MPa vs. (51 ± 15) to (193 ± 7) MPa). Micro-CT analyses revealed the local 3D-distribution of voids. Voids of 30 μm diameter are nearly spherical and make up the main part of the total porosity. The larger the voids, the more they deviate from a spherical shape. Significant lack-of-fusion voids are located between the deposited filaments. By growing and merging, they act as seeds for the forming fracture line in the region of the flexural specimens where the maximum local tensile stresses occurred under bending load. Our work provides a detailed analysis of printed PEEK with fiber additive and relates this with mechanical properties.
Durch den großflächigen Einsatz der Computertomographie (CT) in unterschiedlichen Industriebereichen steigen auch die Anforderungen an die quantitative Bildanalyse. Subjektive Bildwahrnehmung muss durch objektive Algorithmen ersetzt werden. In diesem Artikel stellt die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die seit den 1980er Jahren an der Entwicklung der industriellen CT beteiligt ist, anhand ausgewählter Beispiele den aktuellen Stand ihrer Analysemethoden an verschiedenen Anwendungsbeispielen der CT vor.
Im Fokus dieser Arbeit steht die computertomographische (CT) Untersuchung (Synchrotron- und Labor-CT) von IN625-Pulver und den daraus gefertigten Streben, welche wiederum zu Gitterstrukturen zusammengesetzt werden. Aufgrund der Filigranität wurde zur Fertigung dieser Proben das pulverbettbasierte selektive Laserschmelzen verwendet.
Porositätsanalysen und Größenverteilungen wurden für das Pulver bei einer rekonstruierten Voxelgröße von 0,5µm ermittelt. 6,0mm lange Streben variierten im Aufbauwinkel von 30° bis 90° zur Bauplattform und zeigten so den Unterschied zwischen Up- und Down-Skin hinsichtlich der Rauigkeit und Porenverteilung. Die Gitterstrukturen konnten in-situ mit bis zu 5,0kN belastet werden, um deren Verformung computertomographisch zu erfassen.
In order to characterise the material and damage behaviour of additively manufactured polyamide 12 (PA12) under quasi-static load and to implement it in a numerical model, experiments under quasi-static load as well as microstructural investigations were carried out. Selective laser sintering (SLS) was used as the manufacturing process. For the classification of the material behaviour, quasi-static cyclic tests with holding times as well as tensile tests were performed. X-ray refraction and computed tomography (CT) were used to investigate the damage behaviour. The Chaboche model, which has already been applied for metallic materials under thermomechanical loading, served as the basis for the selection of the numerical material model. The same procedure was used for the selection of the damage model, where the Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN) model was chosen, which was already used for porous metallic materials. The Chaboche model shows very good agreement with experimental results. Furthermore, the coupling with the GTN model allows a very good modelling of the damage behaviour. Finally, it could be shown that the selected models are suitable to simulate the material and damage behaviour of 3D printed PA12.
The material and damage behaviour of additively manufactured polyamide 12 (PA12) under dynamic loading was characterized by cyclic tests and microstructure analysis. The results were used to develop a numerical material and damage model. In a recent study, it was shown that the material and damage behaviour of 3D printed PA12 under quasistatic loading is simulated in a realistic way by coupling the
material model by Chaboche and the damage model by Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN).
Using microscopy, X-ray refraction, and computed tomography, a porosity of about 5% was evaluated. These results served as a starting point for the present work. For the dynamic load, both the previously used Chaboche model and the GTN model were extended. Furthermore, the temperature was measured during the experiment and the self-heating effect was observed. Therefore, a temperaturedependent material parameters for the simulation were introduced. Considering the results of mechanical experiments, microstructural investigations, and self-heating effects, a good agreement between Experiment and numerical simulation could be achieved.
A novel approach for rating fatigue-initiating inclusions in highly demanding steel (INCAFAT)
(2018)
INCAFAT project aimed to improve existing fatigue damage models by establishing the most suitable combination of measurement techniques to characterise harmful inclusion populations in highly demanding steels. The different inclusion assessments carried out confirm that, chemical composition, secondary metallurgy and manufacturing route affect content, nature, size and shape of inclusions. According to the FEM model, inclusions produce an alteration of the stress field in their surrounding region, which can promote a fatigue failure. Experimental work on fatigue testing has demonstrated that depending on the stressed direction fatigue failures in highly demanding steels could be produced by different types of inclusions. Fractography analyses confirmed that meso-inclusions harmful in fatigue cannot be rated by standard methods, nor 10 MHz ultrasonic testing (macro) or micro-cleanness assessments. The necessity of rating these meso-inclusions has led to critical evaluation of Extreme Value Analysis according to ASTM E2283-08 and the development of high frequency immersion ultrasonic testing. EVA methodology based on inclusion width can be applied reliably when principal stress is parallel to the rolling direction. On the contrary, if inclusions are testing in the elongated directions its fails. On the other hand, the guidelines and recommendations for high frequency ultrasonic testing have been compiled in a new European standard draft. This method based on focal beam probes and high-resolution devices is able to provide information on meso-inclusion distribution.