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Multiskalige Analyse von additiv gefertigten Gitterstrukturen mittels Computertomographie und Neutronendiffraktion

Dr. Tobias Fritsch wurde 2021 mit dem Wissenschaftspreis der DGZfP für seine Arbeit auf dem Gebiet der zerstörunsgfreien Materialprüfung additiv gefertigter Bauteile ausgezeichnet.

Zur Person

Dr. Tobias Fritsch beendete 2016 sein Physikstudium an der Universität Potsdam. Anschließend forschte und promovierte er an der BAM zum Thema additiv gefertigter Gitterstrukturen. Aktuell ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter mit Schwerpunkt auf Computertomographie und quantitativer Bildanalyse an der BAM tätig.

Kurzfassung des Fachbeitrags

Das Laserstrahlschmelzen (L-PBF) als Prozess im Bereich der Additiven Fertigung (AM) ermöglicht ein neuartiges Bauteildesign und somit auch die Produktion von komplexen Gitterstrukturen, welche Materialeinsparungen und effizientere Kühlsysteme erlauben und daher für verschiedene industrielle Anwendungen (z. B. Gasturbinen) geeignet sind. Interne Defekte, Eigenspannungen und geometrische Abweichungen von der Soll-Geometrie sind jedoch unvermeidbar.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die strukturelle Integrität von L-PBF-gefertigten Gitterstrukturen zerstörungsfrei auf verschiedenen Größenskalen untersucht. Eine Auswerteroutine für dreidimensionale quantitative Pulvercharakterisierung hinsichtlich der Partikelgröße, der -form, der -porosität, des Interpartikelabstands und der Packungsdichte wurde entwickelt. Synchrotron-Computertomographie (CT) wurde für die Korrelation der Packungsdichte mit der Partikelgröße und -form genutzt. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass mindestens 50 Prozent der Porosität aus den Pulverpartikeln während der Herstellung der Streben mittels L-PBF gelöst wurde.

Streben sind die Grundbausteine der Gitterstrukturen und wurden mit industrieller Labor-CT untersucht. Dabei lag der Fokus auf dem Einfluss des Bauwinkels, auf die Strebenporosität und -oberflächenqualität. Die Analyse der Oberflächentopographie wurde hinsichtlich einer quantitativen Analyse von sogenannten re-entrant features erweitert. Der Vergleich dieser Auswertung mit konventionellen Oberflächenparametern offenbarte sowohl deren Komplementarität als auch den Bedarf an neuen AM-spezifischen Oberflächenparametern.

In-situ-CT-Versuche mit anschließender digitaler Volumenkorrelation (DVC) erlaubten die Gitterstruktur bezüglich des mechanischen Verhaltens unter Druckspannung zu bewerten. Aufgrund einer schichtweisen Faltung der Einheitszellen konnte dabei das Versagensverhalten als knoten-dominiert identifiziert werden.

Mittels Neutronenbeugung konnten Eigenspannungen in solchen Gitterstrukturen erstmalig experimentell bestimmt werden. Dabei wurden sowohl die Hauptspannungsrichtungen als auch die -beträge in Abhängigkeit von der Anzahl der gemessenen Spannungsrichtungen bestimmt. Während in der Strebe ein signifikanter uni-axialer Spannungszustand nachgewiesen wurde, zeigte der Knotenpunkt einen hydrostatischeren Spannungszustand. Sowohl im Falle der Strebe als auch des Knotenpunkts waren mindestens sieben gemessene Spannungsrichtungen nötig, um die Hauptspannungsrichtungen verlässlich zu ermitteln.

Fig6
Mithilfe der Computertomographie gemessenes 3D-Abbild der untersuchten Gitterstruktur. ©Tobias Fritsch / BAM

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Download vollständiger Beitrag (PDF, 7 Seiten)

 

Der Fachbeitrag von Dr. Tobias Fritsch erschien darüber hinaus in der ZfP-Zeitung (Ausgabe 177, Dezember 2021).

Bei Fragen wenden Sie sich gern an den Autor: tobias.fritsch@bam.de

 

Den Gewinnerbeitrag des DGZfP-Anwenderpreises 2021 lesen Sie hier.
Den Gewinnerbeitrag des DGZfP-Nachwuchspreises 2021 lesen Sie hier.

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