On the Impact of Non-Optimal Parameters in Additive Manufacturing - From Microstructure to Mechanical Properties

Richter, Julia

dc.date.accessioned	2024-02-23T15:33:24Z
dc.date.available	2024-02-23T15:33:24Z
dc.date.issued	2024
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202401319498
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/15485
dc.description	Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2023
dc.language.iso	eng
dc.publisher	kassel university press
dc.rights	Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/	*
dc.subject	Additive Manufacturing	eng
dc.subject	Electron-based Powder Bed Fusion	eng
dc.subject	Laser-based Powder Bed Fusion	eng
dc.subject	Mechanical Properties	eng
dc.subject	Microstructure	eng
dc.subject	Fatigue	eng
dc.subject	Powder	eng
dc.subject.ddc	600
dc.title	On the Impact of Non-Optimal Parameters in Additive Manufacturing - From Microstructure to Mechanical Properties	eng
dc.type	Buch
dcterms.abstract	The additive manufacturing with its layerwise built-up comprises a variety of tempting properties such as an unprecedented freedom of design and tailorable mechanical properties. Amongst others, the laser-based powder bed fusion of metals (PBF-LB/M) as one representative additive manufacturing process permits the production of highly complex parts requiring a minimum of post-processing effort. As the additive manufacturing techniques are still rather new, there are still several open questions concerning the process-microstructure-properties relationship. In the present work, the influence of various process divergences representing a non-ideal process condition on the microstructure and mechanical properties of iron- and aluminum-based alloys were investigated. Due to the large number of different process divergences, this work focused exemplarily on three non-ideal processes, i.e., process interruptions, the use of non-spherical powders, and a varying process gas flow. Using high-resolution electron microscopy analysis methods as well as X-ray tomography, deep insights into the microstructure and defect-formation mechanisms were obtained. The influence of microstructure and defects on the damage evolution under mechanical loading is analyzed and a model idea for a robust production is derived and discussed with existing concepts. By the application of different process divergences on the aluminum- and iron-based alloys, a varying sensitivity was found between these material grades. It was originally thought, that the higher ductility of the iron-based alloys will lead to a higher defect tolerance and, thereby, a higher robustness against a non-ideal process condition. However, the results in the present ork show that the thermo-physical properties of an alloy may have a higher influence on a robust mechanical response under monotonic and cyclic loading than the existance of a high ductility and, thus, a high defect tolerance. The results of the process divergences for the aluminum-based feedstock show that the microstructure and, thereby, the mechanical properties are highly unaffected which is thought to be a result of the high thermal conductivity in aluminum. In contrast, the iron-based alloys seem to be highly vulnerable for a change within the process. However, based on the findings, several influences could be found being crucial for a robust production in PBF-LB/M. Next to the thermal conductivity, the alloying concept with its thermal and metallurgical properties such as oxygen affinity and the evolution of intermetallic phases should be considered. This may help to identify newly suitable alloys for the application in PBF-LB/M process.	eng
dcterms.abstract	Die additive Fertigung mit ihrem schichtweisen Aufbau bietet eine Vielzahl attraktiver Eigenschaften wie eine noch nie dagewesene Gestaltungsfreiheit und maßgeschneiderte mechanische Eigenschaften. Unter anderem erlaubt das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M) die Herstellung hochkomplexer Teile mit einem Minimum an Nachbearbeitungsaufwand. Da die additiven Fertigungsverfahren jedoch vergleichsweise neu sind, gibt es noch einige offene Fragen bezüglich der Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehung zu klären. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Prozessabweichungen, die einen nicht-idealen Prozesszustand darstellen, auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von Eisen- und Aluminiumbasislegierungen untersucht. Aufgrund der großen Anzahl unterschiedlicher Prozessabweichungen konzentrierte sich diese Arbeit auf drei exemplarische, nicht-ideale Prozesse, d.h. Prozessunterbrechungen, die Verwendung von nicht-sphärischen Pulvern und einen variierenden Prozessgasstrom. Durch den Einsatz hochauflösender elektronenmikroskopischer Analysemethoden sowie der Röntgentomographie konnten tiefe Einblicke in die Mikrostruktur und die Defektbildungsmechanismen gewonnen werden. Der Einfluss von Mikrostruktur und Defekten auf die Schädigungsentwicklung unter mechanischer Belastung wurde analysiert und eine Modellidee für eine robuste Produktion abgeleitet und mit bestehenden Konzepten diskutiert. Durch die Anwendung verschiedener Prozessdivergenzen auf die Aluminium- und Eisenbasislegierungen wurde eine unterschiedliche Sensibilität zwischen diesen Werkstoffgüten festgestellt. Ursprünglich wurde angenommen, dass die höhere Duktilität der Eisenbasislegierungen zu einer höheren Defekttoleranz und damit zu einer höheren Robustheit gegenüber nichtidealen Prozessbedingungen führt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen jedoch, dass die thermo-physikalischen Eigenschaften einer Legierung einen größeren Einfluss auf eine robuste mechanische Antwort unter monotoner und zyklischer Belastung haben können als eine hohe Defekttoleranz. Die Ergebnisse der Prozessabweichungen für das aluminiumbasierte Ausgangsmaterial zeigen, dass die Mikrostruktur und damit die mechanischen Eigenschaften in hohem Maße unbeeinflusst bleiben, was vermutlich auf die hohe Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu scheinen die Eisenbasislegierungen sehr anfällig für eine Veränderung innerhalb des Prozesses zu sein. Auf der Grundlage der Ergebnisse konnten jedoch mehrere Einflüsse gefunden werden, die für eine robuste Produktion in PBFLB/M entscheidend sind. Neben der Wärmeleitfähigkeit sollten beim Legierungskonzept auch thermische und metallurgische Eigenschaften wie die Sauerstoffaffinität und die Entwicklung intermetallischer Phasen berücksichtigt werden. Diese Erkenntnisse können helfen, neue geeignete Legierungen für den Einsatz im PBF-LB/M-Prozess zu identifizieren.	ger
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Richter, Julia
dcterms.dateAccepted	2023-10-19
dcterms.extent	XXXi, 258 Seiten
dc.contributor.corporatename	Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau
dc.contributor.referee	Niendorf, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)
dc.contributor.referee	Molotnikov, Andrey (Assoc. Prof. Dr.)
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	978-3-7376-1165-7
dc.subject.swd	Rapid Prototyping <Fertigung>	ger
dc.subject.swd	Mechanische Eigenschaft	ger
dc.subject.swd	Mikrostruktur	ger
dc.type.version	publishedVersion
dcterms.source.series	Forschungsberichte aus dem Institut für Werkstofftechnik - Metallische Werkstoffe	ger
dcterms.source.volume	Band 39
kup.iskup	true
kup.order	https://www.genialokal.de/Produkt/Julia-Richter/On-the-Impact-of-Non-Optimal-Parameters-in-Additive-Manufacturing_lid_52476771.html
kup.price	39,00
kup.series	Forschungsberichte aus dem Institut für Werkstofftechnik - Metallische Werkstoffe
kup.subject	Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin
kup.typ	Dissertation
kup.institution	FB 15 / Maschinenbau
kup.binding	Softcover
kup.size	DIN A5
ubks.epflicht	true