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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.
Effiziente Fertigungssysteme sind wichtiger denn je, um die steigenden Klimaauflagen und die damit verbundenen Anforderungen an die Ressourceneffizienz erfüllen zu können. Klassische Fertigungsverfahren haben dabei den Nachteil, dass diese entweder mit einem hohen Ressourcenverbrauch verbunden sind oder Produktvarianten nicht wirtschaftlich herstellen können. Zwar können additive Fertigungsverfahren wie Selective Laser Melting (SLM), Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) oder Laserpulverauftragschweißen (LPA) durch ihre hohe Flexibilität dieses Problem teilweise beheben, aber bei großvolumigen Bauteilen oder größeren Stückzahlen sind diese Verfahren mit langen Prozesszeiten verbunden und weisen damit eine geringe Produktivität auf.
Dahingegen können hybride Fertigungsverfahren bestehend aus einer Kombination aus einem werkzeuggebundenen Prozess (z. B. Schmieden) und einem werkzeuglosen Verfahren (z. B. Auftragschweißen) eine effiziente Lösung darstellen. Die Herausforderungen sind dabei, die Wechselwirkungen der Fertigungsverfahren zu untersuchen und die Teilprozesse aufeinander abzustimmen. Ziel war es, die negativen Auswirkungen einer Wärmeeinbringung und deren Effekte auf die Mikrostruktur sowie die daraus resultierende Härte und Festigkeit aufzuzeigen. Des Weiteren wurde die Prozessreihenfolge untersucht, mit der eine optimale Festigkeit erreicht werden kann.
Anhand von Beispielen wurden anschließend Richtlinien und Strategien für das Hybridverfahren abgeleitet. So konnte gezeigt werden, dass durch das Hybridverfahren der Werkstoffeinsatz mit bis zu 53,2 % gegenüber der reinen Zerspanung gesenkt werden kann. Die Prozesszeit liegt mit 4,4 bzw. 2,4 h deutlich unter der eines rein additiven Prozesses, was auf eine konkurrenzfähige Wirtschaftlichkeit hindeutet.