Materialcharakterisierung mittels Ultraschall bei der additiven Fertigung

Transkript

1 Materialcharakterisierung mittels Ultraschall bei der additiven Fertigung DACH-Tagung Salzburg, Mai 2015 Hans Rieder*, Martin Spies* Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Campus E3 1, Saarbrücken Joachim Bamberg, Benjamin Henkel, Simon Müller MTU Aero Engines AG, Dachauer Strasse 665, München *Teile der vorgestellten Ergebnisse entstanden am Fraunhofer ITWM, Kaiserslautern

2 Materialcharakterisierung mittels Ultraschall bei der additiven Fertigung Hintergrund - MTU Selective Laser Melting Werkstoffe Ti-6-4 und IN718 Ultraschall-Monitoring an ausgewählten Testkörpern Untersuchung der Gefügestruktur Ausblick: Smart SLM-Testblock

3 Additive Manufacturing Rapid Prototyping: seit etwa 25 Jahren in Forschung und Entwicklung Additive Manufacturing (AM) für die Herstellung metallischer Bauteile: seit ca. 10 Jahren

4 MTU Aero Engines - größter Lieferant von Sub-Systemen für Triebwerke High-Pressure Compressor Low-Pressure Turbine

5 Herausforderungen Treibstoffreduktion Gewichtsreduktion Kostenreduktion

6 Herangehensweise Innovatives Design Fast rotating turbine Innovatives Material TiAl-Schaufeln Innovative Produktion Additive Manufacturing

7 Boroskop-Auge - erstes MTU-Serienbauteil Plattform mit 16 Boroskop-Augen und Zugproben

8 Additive Manufacturing AM Verfahren und Qualitätssicherung

9 Additive Manufacturing 3D-Drucken Pulverbett-Schweißen ist die am häufigsten eingesetzte Methode für den 3D-Druck metallischer Objekte Selective Laser Melting (SLM)

10 Additive Manufacturing Selective Laser Melting SLM Prinzip 3D-CAD-Modell Metallpulverbett Schicht-für-Schicht-Schmelzen mittels Laser Quelle: Fraunhofer ILT, Aachen

11 Selective Laser Melting typische Parameter EOS M280 SLM Laser-Leistung Scan-Geschwindigkeit Linienabstand Streifenbreite Streifenüberlappung 295 W 960 mm/s 0.09 mm 5.0 mm 0.12 mm Quelle: Fraunhofer ILT, Aachen Schichtdicke 40 µm

12 Selective Laser Melting Aufbau komplexer Bauteile Bauteil auf der Plattform

13 Qualitätssicherung der kompletten Prozesskette vorher Pulver Maschine während Prozessparameter Ultraschall-Monitoring Optische Tomographie nachher Metrologie Röntgen & FPI Materialprüfung

14 Ultraschall-Monitoring

15 Monitoring-Ansatz Ultraschall-Monitoring während des Herstellungsprozesses Einschallung von der Unterseite der Bauplattform Ziele: Beobachtung/Kontrolle/Detektion der Dynamik des Schichtaufbaus der Interface-Anbindung der lokalen Materialeigenschaften von Eigenspannungen von Porosität nur on-line während des Prozesses möglich!

16 Bauteil-Herstellung mittels Selective Laser Melting SLM Vorbereitung des Bau-Jobs z.b. Aufheizen des Bauraums auf 80 C in inerter Gas-Atmosphere Laser-Schweißprozess Aufbau eines Zylinders

17 Monitoring Set-Up Problem: restriktive Randbedingungen für die Installation zusätzlicher Komponenten im Bauraum, spezifische Umwelt Schematischer Aufbau Versiegelte Installation der HF- und Kontrollkabbel unterhalb der Bauplattform Prüfkopf ist an der Unterseite der Bauplattform fixiert 10 MHz, ¼ Inch, unfokussiert Koppelmittel Sensor angeklebt

18 Ultraschall-Monitoring-System Integration und Test offener Bauraum: Vorbereitungen für den Baujob MTU Aero Engines: Integration und Test des Prüfsystems

19 Demo: Baujob und Ultraschallsignale

20 Aufgebauter Testkörper Zylinder mit innenliegendem Fehler: 20 mm Durchmesser 10 mm Höhe Pore (sphärisch, 2 mm Ø) Baujob: 40 µm Schichtdicke 250 Schichten 90 Minuten Bauzeit

21 Ergebnisse Auflösung der einzelnen Schweißlage, Aufbau wird kontinuierlich aufgezeichnet Ermittlung der lokalen Schallgeschwindigkeit Laufzeit Schallgeschwindigkeit Bauzeit Bauhöhe 40 µm Echtzeit-Detektion künstlicher Fehler Time

22 A-Scan-Darstellung A*-Scan = Mittelung aller A-Scans des Baujobs - Rauschreduktion - nur statische Objekte werden sichtbar (Interface-Echo, Defekte) - Rückwandechos mittel sich weg - Pore im A-Scan schlecht sichtbar wg. Ausrichtung des Prüfkopfes IE Pore 2. IE

23 Off-line Validierung nach Ende des Baujobs Immersionsprüfung: C-Scan 10 MHz, 3 Inch Fokus Fehlerabbildung keine weiteren Anzeigen

24 Metallographie Pore

25 Metallographie Halbkugel - Kreisscheibenreflektor

26 Untersuchung des Einflusses der Laser-Leistung auf die Ausbildung der Mikrostruktur

27 Testkörper Variation der Laser-Leistung Bauhöhe Laser-Leistung 0 mm 5 mm 285 W (100%) 5 mm 7 mm 150 W (50%) 7 mm 12 mm 285 W (100%) 12 mm 14 mm 75 W (25%) 2 mm 5 mm 2 mm Aufbaurichtung 5 mm

28 B-Bild und Ereignis-Korrelation 100 A-Scans/s * 60 Sekunden * 90 Minuten = A-Scans Bauhöhe Aufbaurichtung Bauzeit Laser-Leistung B-Bild

29 Variation der Laser-Leistung Signal-Entwicklung verschiedene A-scans, Amplitude auf die Rückwand normiert Rückwand 1. Schicht = Bauplattform Rückwand 100. Schicht Rückwand 250. Schicht Interface zur Schicht mit 50 % Laser-Leistung Anfang und Ende der Schicht sichtbar

30 Validierung Metallographie Röntgen-CT Untersuchte Proben nach Abtrennung von der Plattform

31 Validierung II 25% starke Porosität (30%) 100% 50% geringe Porosität (3%) 100% B-Bild Laser-Leistung Röntgen-CT-Bild Ultraschall-Online-Detektion von geringer Porosität (< 3%) ist möglich

32 Metallographie - ungeätzt

33 Metallographie - ungeätzt

34 Metallographie - ungeätzt

35 Metallographie - ungeätzt

36 Bruch - mangelnde Anbindung und Eigenspannungen

37 Validierung III Bezug zu metallographischen und Röntgen-CT Untersuchungsergebnissen Künstliche Fehler: < 3 mm² Porosität (metallo): < 3 % Porosität (Rö-CT): < 100 µm axiale Auflösung in Aufbaurichtung

38 Textur und E-Modul

39 Schallgeschwindigkeitsmessungen an Oktogon-Proben Schallgeschwindigkeit [m/s] ϑ = 0 Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Elevations- und Azimutwinkel ϑ = 90 ϑ = 45 Bauplattform 5650 Einschallung unter verschiedenen Elevationswinkeln 5600 Azimutw inkel φ=0 y ϕ = 0 ϕ = 45 Azimutw inkel φ=45 ϕ = 85 Azimutw inkel φ=85 Positionierung der Oktagons im Bauraum (Draufsicht) x ϑ Elevationswinkel [ ]

40 Schallgeschwindigkeitsmessungen an Oktogon-Proben Schallgeschwindigkeit in der x-z-ebene 6020 Schallgeschwindigkeit [m/s] ϑ=33, ϑ=22, ϑ=11, ϑ=0 0,00 11,25 22,50 33,75 45,00 56,25 67,50 78,75 90,00 101,25 112,50 123,75 135,00 146,25 157,50 168,75 Versuchskörper zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit in der x-z-ebene Elevationswinkel [ ]

41 E-Modul-Bestimmung an Zugproben z Elastizitätsmodul y Elastizitätmodul [MPa] Azimutw inkel φ=0 Azimutw inkel φ=45 Azimutw inkel φ=85 x Baurahmen in dem die 7 Zugproben liegen Anordnung der Zugproben in Anordnung der Zugproben in Elevationsw inkel [ ] der Seitenansicht (x-z-ebene) der Draufsicht (x-y-ebene) x

42 Zusammenfassung Online-Monitoring mit Ultraschall durch die Bauplattform ist machbar Beobachtung der Oberflächendynamik während des Aufbaus ist möglich Quantitative Aussagen hinsichtlich der Porosität Herstellung von Testreflektoren (KSR) Ausblick Ultraschall-Monitoring als Kontroll- und Referenzmethode Charakterisierung der Materialeigenschaften Überwachung mittels Kontrollkörpern Bauraumkontrolle!

43 SLM-Testkörper mit Halbkugel-Reflektoren Aufbaurichtung Prüfkopf

44 Smart SLM-Testblock Online-Prüfung permante Messung der Schallgeschwindigkeit /Ermittlung der inkrementellen Schallgeschwindigkeit Rückschlüsse auf lokale Mikroporosität Messung der Ersatzreflektor-Amplituden (Selbstreferenzierung an aktueller Rückwand!) Rückschlüsse auf Homogenität des Gefüges Offline-Prüfung (mit Linear-Array) Sektorscan -> Rückschlüsse auf Anisotropie und Textur Erweiterung: zweiachsiger Testblock -> Rückschlüsse auf volle 3D-Textur