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Author: Töppel, Thomas ×

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Now showing 1 - 10 of 72
  • Publication
    Pulver- und Prozessmonitoring als Bausteine der Qualitätssicherung beim Laser Powder Bed Fusion
    ( 2022-05)
    Töppel, Thomas
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    Bittner, Florian
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    Jaretzki, Martin
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    Hendl, Julius
    Die Bauteilqualität im Laser Powder Bed Fusion (LPBF) wird durch eine Vielzahl von Prozessparametern und Einflussgrößen bestimmt. Die Qualitätssicherung entlang der gesamten LPBF-Prozesskette ist wesentlicher Erfolgsfaktor für die Reproduzierbarkeit des Verfahrens. Nach der Verdüsung unterliegt das pulverförmige Ausgangsmaterial über seine gesamte Nutzungsdauer unterschiedlichen Umwelteinflüssen z. B. während der Lagerung, Aufbereitung und Prozessierung in der LPBF-Maschine. Eine morphologische und chemischen Veränderung im Pulver kann sich nachteilig auf die Verarbeitungseigenschaften und die finale Bauteilqualität auswirken. Für den im LPBF sehr häufig eingesetzten Werkstoff Ti-6Al-4V ELI (Titan Grade 23, extra low interstitial) bestimmt die Veränderung der chemischen Zusammensetzung durch die Aufnahme von Sauerstoff und Stickstoff maßgeblich die resultierenden mechanischen Kennwerte des additiv hergestellten Bauteils, aber auch die Möglichkeit der erneuten Verwendung von gebrauchtem Pulver. Die tolerierbare Aufnahme von Sauerstoff und Stickstoff ist in der ASTM-Norm F 3001-14 festgelegt. Auch wenn die gesamte Prozesskette unter Argon-Schutzgasatmosphäre realisiert wird, kann eine Alterung des Pulvers durch Restanteile von Sauerstoff und Stickstoff nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden. In diesem Beitrag werden unterschiedliche Maßnahmen zur Qualitätssicherung von Pulvern bei der Lagerung sowie Verarbeitung und Wiederaufbereitung diskutiert. Dafür wurden sowohl morphologische als auch chemische Untersuchungen des Pulvers über mehrere Fertigungsprozesse und Monate hinweg durchgeführt. Begleitende chemische Messungen an LPBF-hergestellten Festkörperproben ergänzen die Aussagen. Im zweiten Teil des Vortrags werden datengetriebene Qualitätssicherungsmöglichkeiten diskutiert, welche durch thermische Sensoren (Fotodiode und IR-Kamera) und die Fehlererkennung mit Hilfe von statistischen und Machine-Learning-Algorithmen gegeben sind. Dabei liegt der Fokus auf Zug- und Ermüdungsproben und der Erkennung von Anomalien aus den Prozessmonitoringdaten, welche Rückschlüsse auf die Versagens- bzw. Bruchzone geben sollen. Die vorgestellten Ergebnisse sind Teil des Projektes AMTwin, das vom Freistaat Sachsen gefördert wird.
  • Publication
    Ermüdungsverhalten und Lebensdauerabschätzung von L-PBF Ti-6Al-4V
    ( 2022-05)
    Kühne, Robert
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    Bittner, Florian
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    Gruber, Samira orcid-logo
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    Schettler, Sebastian
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    Stampa, Leonhard
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    Töppel, Thomas
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    Zimmermann, Martina
    Die zunehmende Prozesssicherheit und Verbreitung von additiven Fertigungsverfahren führt zu einem stetig wachsenden industriellen Interesse. Neben der Verwendung als individuelle Designelemente treten verstärkt Anwendungen in den Vordergrund, bei denen additiv gefertigte Bauteile wiederkehrenden mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungsfälle ist ein umfassendes Verständnis der strukturellen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund sind additiv gefertigte Werkstoffe zu einem Schlüsselthema der zerstörungsfreien und zerstörenden Werkstoffprüfung geworden. Während das Festigkeitspotential auf Basis von Zugversuchsergebnissen vielversprechend erscheint, dämpfen Ermüdungsversuche die allgemeinen Erwartungen teilweise erheblich. Bei zyklischen mechanischen Belastungen wirken insbesondere prozesstechnisch nicht vermeidbare Ungänzen, wie mikroskopische Anbindungsfehler oder Mikroporen versagenskritisch. Gezielte Wärmebehandlungen können die Zähigkeit und somit die Defekttoleranz des Werkstoffes signifikant beeinflussen, wodurch die Belastbarkeit gezielt verbessert werden kann. Dieser Beitrag präsentiert umfangreiche experimentelle Ermüdungsversuche an additiv hergestelltem Ti-6Al-4V, die im Rahmen des Verbundprojektes AMTwin erarbeitet wurden. Es werden vielfältige Einflussgrößen auf die Belastbarkeit vorgestellt und bewertet. Dazu zählen neben dem Wärmebehandlungszustand des Werkstoffes auch der verwendete AM-Anlagentyp und deren spezifische Prozessparameter sowie die Belastungsrichtung. Die ertragbare Belastungshöhe zeigt eine direkte Abhängigkeit zu mikroskopischen Unregelmäßigkeiten und zum Wärmebehandlungszustand. Es zeigen sich gleichzeitig aber auch unerwartete Unterschiede zwischen nominell gleichen Versuchsreihen. Die aufgetretenen Besonderheiten im Ermüdungsverhalten erschweren eine Vorhersage der Belastbarkeit deutlich. Dieser Aspekt wird anhand eines erweiterten „Murakami“-Auswerteansatzes vorgestellt, bei dem eine direkte Korrelation zwischen der vorhandenen Defektpopulation und der zu erwartenden Lebensdauer beschrieben wird. Die Anwendbarkeit einer Erweiterung dieses Vorhersagekonzeptes auf Leichtmetall-Legierungen durch Noguchi wird ebenfalls thematisiert und anhand der erzielten Ergebnisse bei Ti-6Al-4V bewertet. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen das komplexe Zusammenspiel zwischen dem Fertigungsprozess, der Mikrostruktur und der resultierenden mechanischen Eigenschaften bei der additiven Fertigung. Eine zuverlässige Vorhersage der Ermüdungsfestigkeit von additiv hergestellten Strukturen erscheint nach wie vor schwierig und kann nur mit Hilfe von detaillierten und konsistenten Informationen zum Herstellungsprozess und der Werkstoffstruktur erreicht werden.
  • Publication
    Simulation des LPBF-Prozess mit dem Fokus auf der lokalen Abbildung der Temperaturhistorie im Bauteil
    ( 2022-05)
    Heinze, Stefan
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    Kühne, Robert
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    Töppel, Thomas
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    Leyens, Christoph orcid-logo
    Das Potential von additiven Fertigungsprozessen für die Fertigung von komplexen Bauteilen, die über herkömmliche Prozessrouten nur äußert kostenineffizient oder nicht möglich ist, ist nach heutigem Stand bekannt und begründet das hohe Forschungsinteresse an diesen Prozessen. Vor allem der Laser Powder Bed Fusion Prozess gehört zu einem der am weitest verbreiteten additiven Fertigungsprozesse und hat den Transfer in die industrielle Nutzung erfolgreich bewältigt. Als nächster Schritt in der Weiterentwicklung des LPBF steht die konsequente Weiterentwicklung und Optimierung bestehender Verfahrensabläufe. Vor allem im Hinblick auf das Verständnis der im Prozess ablaufenden physikalischen und werkstoffwissenschaftlichen Vorgänge fehlen Erkenntnisse und Werkzeuge, die eine effiziente Neuentwicklung von Bauteilen, Verwendung neuer Werkstoffe oder die Weiterentwicklung bestehender Materialkombinationen und Bauteile in größerem Maßstab sowie einen leichteren Zugang zu diesem Wissen ermöglichen. Ein mögliches Werkzeug das zum Verständnis des LPBF beitragen kann, sind Simulationen in denen neue Parameterkombinationen, Werkstoffe oder Bauteilgeometrien ohne kostenintensive Maschinenzeit oder Materialverbrauch untersucht werden können. In den letzten Jahren gab es ein stetiges Bestreben von Forschung und Softwareentwicklern, vor allem im Bereich der Finite Elemente Simulation (FEM), Softwareprodukte für die additive Fertigung zu entwickeln und somit der Forschung und Industrie zusätzliche Werkzeuge für eine effiziente Entwicklung bereitzustellen. Eine große Herausforderung bilden dabei additive Fertigungsprozesse wie das LPBF, da Bauteile im Bereich von mehreren cm durch die Überlagerung von Pulverschichten von wenigen 10 µm erzeugt werden und die lokalen Aufschmelzungen durch den Laser ebenfalls im Bereich von etwa 100 µm liegen. Diese Unterschiede in den Skalen stellen eine enorme Herausforderung an die Simulation dar, wenn lokale Vorgänge betrachtet werden sollen - z.B. Temperaturverläufe, die in einer individuellen Mikrostruktur und somit den Eigenschaften des Bauteils resultieren. Für die simulative Abbildung eines kompletten Bauteils wäre die Simulationszeit auch mit Hochleistungsrechner in Bereichen, die eine Integration von Simulationen in den Prozessablauf des LPBF Prozesses unmöglich erscheinen lassen. Dieser Beitrag präsentiert eine Lösung für die Simulation der lokalen Temperaturhistorie für die Fertigung von Bauteilen beliebiger Geometrie mittels LPBF. Der Fokus liegt auf der realitätsnahen Nachbildung der lokaler Temperaturentwicklung, die dann in einem weiteren Schritt für die Entstehung der Phasen und Mikrostruktur genutzt werden soll. Es werden Lösungsansätze für die Kalibrierung der Wärmequelle auf Basis von experimentellen Voruntersuchungen an Ti6Al4V sowie ein Simulationsmodell auf mikroskopischer Skala präsentiert, dass Einflüsse des Fertigungsprozesses auf makroskopischer Skala berücksichtigt. Anhand einer umfangreichen Testreihe von Blindschweiß- sowie Singletrackversuchen erfolgt zudem eine Beurteilung der Vorhersagbarkeit des Einflusses von Parametervariation auf die Ausprägung von Schmelzbad und Wärmeeinflusszone.
  • Publication
    Influence of Storage, Processing and Reconditioning on Ti-6Al-4V ELI Powder Characteristics for Laser Powder Bed Fusion
    ( 2022-03-15)
    Töppel, Thomas
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    Bittner, Florian
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    Jaretzki, Martin
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    Köhler, Felix
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    Thielsch, Juliane
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    Hendl, Julius
    Guarantee of consistent part quality is crucial for wide application of laser powder bed fusion (LPBF) in highly regulated industries like aerospace. Therefore, in-deep knowledge on the evolution of powder characteristics along the whole LPBF process chain and the powder re-use is essential. In this contribution, various aspects of storage and processing of Ti-6Al-4V ELI virgin and reconditioned powder, including potential sources for hydrogen, nitrogen and oxygen uptake, are discussed. The gas tightness of different commercially available 20-liter stainless steel powder tanks was evaluated. Subsequently, the more suitable gas tank was equipped with a permanent measuring system to collect temperature, oxygen, and humidity data during a typical storage interval of several months. During long-term storage oxygen content in the powder container increases steadily, but no remarkable oxygen uptake within the powder was observed. Likewise, powder handling before, during and after LPBF processing led only to a weak increase of oxygen and nitrogen content of the powder. In contrast, LPBF solid parts show increased interstitial element contents and it is concluded that the major uptake appears directly during melting under argon protective atmosphere and process associated splatter and sieve residue show remarkable enrichment in these elements. Considering the critical stages of powder aging, a representative material flows and mass balance analysis for LPBF was conducted. As an outlook, a concept for powder usage and reconditioning with virgin powder will be given. The presented results are part of the project AMTwin, which is funded by the Free State of Saxony in Germany.
  • Publication
    AMTwin - datengestützte Vorhersage des Ermüdungsverhaltens von additiv hergestelltem Ti-6Al-4V
    ( 2021)
    Kühne, Robert
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    Gruber, Samira orcid-logo
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    Töppel, Thomas
    ;
    Kästner, Markus
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    Zimmermann, Martina
    Der additive Fertigungsprozess Laser Powder Bed Fusion ist gekennzeichnet durch vielfältige Einflussgrößen, deren komplexe Wechselwirkungen die hergestellte Werkstoffqualität signifikant beeinflussen. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit ausgewählten Prozessparametern und beschreibt Auswirkungen auf die resultierende Dichte, das Werkstoffgefüge, die Mikrohärte und die Festigkeit, deren Zusammenhänge empirisch bewertet werden. Mit diesem datenbasierten Vorgehen kann es möglich werden, die Eigenschaften eines additiv hergestellten Werkstoffes vorherzusagen, auch wenn physikalische Wirkzusammenhänge im Prozess nicht vollständig bekannt sind. Am Beispiel des Werkstoffes Ti-6Al-4V und einem pulverbettbasierten Fertigungsprozess werden eindeutige Abhängigkeiten aufgezeigt und auch unspezifische Einflussgrößen beschrieben. Es zeigen sich direkte Korrelationen zwischen mikrostrukturellen Merkmalen und den mechanischen Eigenschaften. Die Einflüsse aus dem Fertigungsprozess auf die mikrostrukturellen Merkmale sind aktuell jedoch nicht vollständig beschreibbar.
  • Publication
    Impact of powder storage and Laser Powder Bed Fusion processing on powder characteristics of Ti-6Al-4V Grade 23
    ( 2021)
    Töppel, Thomas
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    Bittner, Florian
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    Köhler, Felix
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    Hendl, Julian
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    Heinze, Stefan
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    Marquardt, Axel
    Ti-6Al-4V Grade 23 (extra low interstitials) is a widely used material in Laser Powder Bed Fusion (LPBF) of metals and has versatile applications in the fields of highly regulated industries like medical and aerospace. Chemical composition of this material significantly determines the mechanical properties of the additive manufactured product, which are specified in standard ASTM F3001-14. Reliable high quality of the powder during the whole time of use and the prevention of potential oxygen pickup during powder storage and processing is of critical importance for the resource efficiency of the LPBF process. In this poster presentation different aspects of powder storage and LPBF processing ofTi-6Al-4V Grade 23 are addressed. The uptake of hydrogen, nitrogen and oxygen was studied and monitored along the process chain of new and recycled powder as well as in manufactured LPBF test specimens. Gas tightness of two different commercially available LPBF powder tanks from GE Additive / Concept Laser was evaluated. Subsequently, the more suitable gas tank was equipped with a permanent measuring system to collect temperature, oxygen, and humidity data during a typical storage interval. The evolution of powder characteristics is attributed to different points of the process chain. On this basis, representative material flow and resource efficiency analysis were conducted in the form of a material balance. The presented results are part of the project AMT win, which is funded by the Free State of Saxony (Germany).
  • Patent
    Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen
    ( 2020)
    Töppel, Thomas
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    Wiemer, Hajo
    Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen werden Bauteile auf einer Bauplattform mit pulverförmigem Werkstoff oder zugeführtem drahtförmigen Werkstoff unter dem Einfluss eines Energiestrahles schichtweise aufgebaut. Auf der dem aufzubauenden Bauteil gegenüberliegenden Oberfläche der Bauplattform (1) und/oder auf der Oberfläche der Bauplattform (1) auf der das jeweilige Bauteil aufgebaut ist und/oder innerhalb der Bauplattform (1) ein Sensorarray (2), das zur orts- und zeitaufgelösten Messung mechanischer Spannungen, Kräfte, Momente, Dehnungen oder Verformungen ausgebildet ist, angeordnet ist und mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit verbunden ist, die zur Erfassung und Auswertung der orts- und zeitaufgelöst erfassten Messsignale ausgebildet ist.
  • Publication
    Nutzung angepasster Belichtungsstrategien für die Herstellung filigraner Strukturen aus superelastischem NiTi-Formgedächtnismaterial
    ( 2019)
    Gustmann, Tobias
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    Korn, Hannes
    ;
    Rotsch, Christian
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    Koch, Peter
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    Stelzer, Ralph
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    Töppel, Thomas
    Im Bereich der funktionellen Werkstoffe kommt den NiTi-Formgedächtnislegierungen (FGL) aufgrund der hohen nutzbaren Rückverformung und der Biokompatibilität eine bedeutende Rolle für medizinische Anwendungen zu. Die Herstellung von NiTi-FGL-Bauteilen mit vorab definierten Formgedächtniseigenschaften unterliegt einer Vielzahl von Herausforderungen. Die schwierige Verarbeitung von NiTi (Sauerstoffaffinität, Materialbearbeitung) zu endkonturnahen Bauteilen hat maßgeblich dazu geführt, dass die Nutzung additiver Fertigungstechnologien für ihre Herstellung intensiv vorangetrieben wurde. In besonderem Maße eignet sich das Laserstrahlschmelzen (Laser Beam Melting - LBM) für die Herstellung von Gitterstrukturen oder individualisierten Bauteilgeometrien. Nach wie vor besteht bei der Herstellung komplexer Probenkörper mittels LBM hoher Verbesserungsbedarf hinsichtlich der resultierenden Oberflächen (Pulveranhaftungen) sowie der Fertigung von Gitterstrukturen mit geringer sowie gleichmäßiger Stabstärke. Mit Hilfe angepasster Belichtungsstrategien (Pseudo-Punkt-Belichtung) kann die additive Fertigung von superelastischen Gitterstrukturen aus NiTi nicht nur realisiert, sondern auch die Qualität gezielt verbessert werden. Um weiterhin eine gezielte Beeinflussung der Qualität und Eigenschaften mit bereits etablierten Prozeßparametern zu erreichen, wurden gezielt nur einzelne Kennwerte der Belichtungsstrategie verändert und deren Einfluss auf die Mikrostruktur und Umwandlungseigenschaften untersucht.