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Additive technologies are now widely used for the production of complex precise parts and have high potential for the production of forming dies. In this work, hot-forming dies optimized for additive manufacturing were developed and produced with wire arc direct energy deposition (WA-DED) and laser powder bed fusion (L-PBF) technologies. The concept of lightweight hot-forming dies with a 2D-lattice structure was developed, which reduced the weight of each die by 56%, from 14.2 kg to 6.1 kg, in production using L-PBF. Maraging/precipitation-hardened steel 17-4PH was used as an alternative to traditional hot-working steels with slightly lower mechanical properties and a much higher processability in the additive manufacturing process. The workability of the manufactured dies was confirmed by forging tests on an industrial screw press.
Additive Manufacturing of metals has become relevant for industrial applications. The near net-shape production of components produced by Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) enables new possibilities in component design combined with a reduction of the amount of needed material. Omitting the extra material, that was part of conventionally produced components due to machining constraints, results in components which in consequence lack the inherent additional safety margins provided by the higher material consumption of conventionally produced components. Therefore, to use PBF-LB/M metals in safety critical applications an in-depth understanding of porosity and internal stresses in parts made by PBF-LB/M is needed. Only non-destructive testing methods—such as computed tomography and residual stress analysis using neutrons—enable the assessment of porosity and stresses in the whole part. In this thesis I tackled creep and tensile static deformed specimens to fill research gaps in this field in terms of analysing PBF-LB/M stainless steel AISI 316L: from structural properties to in-situ behaviour. The initial void population of AISI 316L is studied using X-ray and synchrotron micro computed tomography. Specimens produced with different process parameters were analysed to quantify the influence of process parameters on the initial void population. The possibility to close voids using the laser illumination of subsequent layers is discussed by a quantitative study of the ability of the laser to melt different multiples of the applied layer thickness. The formation of internal stress is inherent to components produced by the PBFLB/ M process. These stresses remain in the components after production as residual stresses. In this thesis a study is presented which aims to unravel the mechanisms that define the spatial distribution of the residual stresses, and their magnitude. In the end, the population of internal voids during mechanical testing is studied by X-ray micro computed tomography. The evolution of damage accumulation in creep specimens is studied at different stages of the creep test. Results are compared to a creep tested conventionally made specimen and to a PBF-LB/M specimen from a tensile test. An interconnection between the PBF-LB/M microstructure and the pattern of damage is revealed.
Für Polymerbauteile hat sich in der industriellen Anwendung das pulverbettbasierte selektive Lasersintern etabliert. Durch den schichtweisen Aufbau können hochkomplexe Geometrien fügestellenfrei gefertigt und Funktionen direkt bei der Fertigung integriert werden. Durch fertigungstechnologische Grenzen sind additiv gefertigte Bauteile jedoch noch nicht auf dem Niveau von konventionell hergestellten und stehen vor der großen Herausforderung als Konstruktionswerkstoff Anwendung zu finden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung eines Berechnungsmodells für additiv gefertigtes Polyamid 12, das das Material- und Schädigungsverhalten unter quasistatischen und zyklischen Beanspruchungen abbildet, unter Berücksichtigung der fertigungstechnologischen Gegebenheiten. Die vorliegende Dissertationsschrift widmet sich dabei zunächst einer systematischen experimentellen Materialcharakterisierung. Den Grundbaustein dafür bildet die Materialklassifizierung in Abhängigkeit der Gleichgewichtszustände, gefolgt von quasistatischen und zyklischen Versuchen. Um Kenntnisse über das Materialgefüge zu erlangen, werden die Untersuchungen durch Mikrostrukturanalysen mittels Refraktions- und Computertomographie-Untersuchungen ergänzt. Auf dieser Grundlage folgt die phänomenologische Materialmodellierung, mit dem Fokus auf die elastisch-viskoplastische Materialtheorie und der Kopplung mit einem Modell der Schädigungsmechanik. Die Basis liefern Modellierungsansätze, die bisher zumeist für metallische Werkstoffe Anwendung fanden und in der vorliegenden Arbeit adaptiert und weiterentwickelt werden. Die Umsetzung durch ein Konstitutivmodell umfasst isotrope und kinematische Verfestigung sowie statische und dynamische Erholung. Für die Prognose des Schädigungsverhaltens werden Porenwachstum, -nukleation sowie Kolaeszenz beachtet. Die Modellparameter werden mittels Sensitivitätsanalyse und Optimierung anhand der Versuchsdaten des Polyamid 12 identifiziert und validiert. Die Verifikation des entwickelten Berechnungsmodells mit Versuchen, die nicht für die Parameteridentifizierung verwendet werden, zeigt, dass das reale Material- und Schädigungsverhalten von Polyamid 12 mit hoher Genauigkeit abgebildet wird.