Wechselwirkungsdomänen in permanentmagnetischen Seltenerd-Übergangsmetall-Verbindungen

Im Rahmen der Dissertation wurde das Phänomen der Wechselwirkungsdomänen sowohl experimentell als auch unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen untersucht. Gegenstand der Untersuchungen waren einphasige NdFeB-Magnete, die durch Heißpressen und anschließender Warmumformung hergestellt wurden. Zusätzlich wurden über den gleichen Herstellungsweg Kompositproben aus NdFeB und Fe mit unterschiedlichen Partikelausgangsgrößen erhalten und studiert. Korrelationsuntersuchungen verschiedener Messmethoden haben gezeigt, dass im thermisch entmagnetisierten Zustand die Grenzen der Wechselwirkungsdomänen an der Oberfläche größtenteils entlang von Korngrenzen verlaufen. Mittels in-situ MFM wurden erstmalig Untersuchungen von Wechselwirkungsdomänen an massiven NdFeB-Magneten im Magnetfeld durchgeführt. Die Ummagnetisierung erfolgt dabei über die Bewegung der Domänengrenze durch schrittweises Wandern von einer Korngrenze zur benachbarten. Die Beweglichkeit der Domänengrenzen ist durch das Haften an den Korngrenzen gehemmt, was sich in der geringeren Suszeptibilität der warmumgeformten Magnete im Vergleich zu Sintermagneten bemerkbar macht. Aufgrund der eingestellten Mikrostruktur in den warmumgeformten Magneten kann folglich gesagt werden, dass die Ummagnetisierungsprozesse sowohl Merkmale von klassischen Nukleations-, als auch von klassischen Pinningmagneten aufweisen. Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnte eine Eindomänenteilchengröße prismatischer Partikel mit quadratischer Grundfläche ermittelt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Winkel des Streufeldvektors eine entscheidende Rolle bei Ummagnetisiserungsprozessen in solchen Partikeln spielt. Die Superposition des Streufeldvektors mit dem Vektor des angelegten Feldes führt zu einem Gesamtfeldvektor, dessen Winkelabhängigkeit ein Stoner-Wohlfarth ähnliches Verhalten zeigt

Investigation into the Hybrid Production of a Superelastic Shape Memory Alloy with Additively Manufactured Structures for Medical Implants

The demographic change in and the higher incidence of degenerative bone disease have resulted in an increase in the number of patients with osteoporotic bone tissue causing. amongst other issues, implant loosening. Revision surgery to treat and correct the loosenings should be avoided, because of the additional patient stress and high treatment costs. Shape memory alloys (SMA) can help to increase the anchorage stability of implants due to their superelastic behavior. The present study investigates the potential of hybridizing NiTi SMA sheets with additively manufactured Ti6Al4V anchoring structures using laser powder bed fusion (LPBF) technology to functionalize a pedicle screw. Different scanning strategies are evaluated, aiming for minimized warpage of the NiTi SMA sheet. For biomechanical tests, functional samples were manufactured. A good connection between the additively manufactured Ti6Al4V anchoring structures and NiTi SMA substrate could be observed though crack formation occurring at the transition area between the two materials. These cracks do not propagate during biomechanical testing, nor do they lead to flaking structures. In summary, the hybrid manufacturing of a NiTi SMA substrate with additively manufactured Ti6Al4V structures is suitable for medical implants

Wechselwirkungsdomänen in permanentmagnetischen Seltenerd-Übergangsmetall-Verbindungen

Im Rahmen der Dissertation wurde das Phänomen der Wechselwirkungsdomänen sowohl experimentell als auch unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen untersucht. Gegenstand der Untersuchungen waren einphasige NdFeB-Magnete, die durch Heißpressen und anschließender Warmumformung hergestellt wurden. Zusätzlich wurden über den gleichen Herstellungsweg Kompositproben aus NdFeB und Fe mit unterschiedlichen Partikelausgangsgrößen erhalten und studiert. Korrelationsuntersuchungen verschiedener Messmethoden haben gezeigt, dass im thermisch entmagnetisierten Zustand die Grenzen der Wechselwirkungsdomänen an der Oberfläche größtenteils entlang von Korngrenzen verlaufen. Mittels in-situ MFM wurden erstmalig Untersuchungen von Wechselwirkungsdomänen an massiven NdFeB-Magneten im Magnetfeld durchgeführt. Die Ummagnetisierung erfolgt dabei über die Bewegung der Domänengrenze durch schrittweises Wandern von einer Korngrenze zur benachbarten. Die Beweglichkeit der Domänengrenzen ist durch das Haften an den Korngrenzen gehemmt, was sich in der geringeren Suszeptibilität der warmumgeformten Magnete im Vergleich zu Sintermagneten bemerkbar macht. Aufgrund der eingestellten Mikrostruktur in den warmumgeformten Magneten kann folglich gesagt werden, dass die Ummagnetisierungsprozesse sowohl Merkmale von klassischen Nukleations-, als auch von klassischen Pinningmagneten aufweisen. Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnte eine Eindomänenteilchengröße prismatischer Partikel mit quadratischer Grundfläche ermittelt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Winkel des Streufeldvektors eine entscheidende Rolle bei Ummagnetisiserungsprozessen in solchen Partikeln spielt. Die Superposition des Streufeldvektors mit dem Vektor des angelegten Feldes führt zu einem Gesamtfeldvektor, dessen Winkelabhängigkeit ein Stoner-Wohlfarth ähnliches Verhalten zeigt

Wechselwirkungsdomänen in permanentmagnetischen Seltenerd-Übergangsmetall-Verbindungen

Im Rahmen der Dissertation wurde das Phänomen der Wechselwirkungsdomänen sowohl experimentell als auch unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen untersucht. Gegenstand der Untersuchungen waren einphasige NdFeB-Magnete, die durch Heißpressen und anschließender Warmumformung hergestellt wurden. Zusätzlich wurden über den gleichen Herstellungsweg Kompositproben aus NdFeB und Fe mit unterschiedlichen Partikelausgangsgrößen erhalten und studiert. Korrelationsuntersuchungen verschiedener Messmethoden haben gezeigt, dass im thermisch entmagnetisierten Zustand die Grenzen der Wechselwirkungsdomänen an der Oberfläche größtenteils entlang von Korngrenzen verlaufen. Mittels in-situ MFM wurden erstmalig Untersuchungen von Wechselwirkungsdomänen an massiven NdFeB-Magneten im Magnetfeld durchgeführt. Die Ummagnetisierung erfolgt dabei über die Bewegung der Domänengrenze durch schrittweises Wandern von einer Korngrenze zur benachbarten. Die Beweglichkeit der Domänengrenzen ist durch das Haften an den Korngrenzen gehemmt, was sich in der geringeren Suszeptibilität der warmumgeformten Magnete im Vergleich zu Sintermagneten bemerkbar macht. Aufgrund der eingestellten Mikrostruktur in den warmumgeformten Magneten kann folglich gesagt werden, dass die Ummagnetisierungsprozesse sowohl Merkmale von klassischen Nukleations-, als auch von klassischen Pinningmagneten aufweisen. Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnte eine Eindomänenteilchengröße prismatischer Partikel mit quadratischer Grundfläche ermittelt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Winkel des Streufeldvektors eine entscheidende Rolle bei Ummagnetisiserungsprozessen in solchen Partikeln spielt. Die Superposition des Streufeldvektors mit dem Vektor des angelegten Feldes führt zu einem Gesamtfeldvektor, dessen Winkelabhängigkeit ein Stoner-Wohlfarth ähnliches Verhalten zeigt

Integration magnetischer Funktionalitäten in laserstrahlgeschmolzene Metallkomponenten für neuartige sensorische Anwendungen: Vortrag gehalten auf der Werkstoffwoche, Dresden, 18.-20.09.2019

Die additive Fertigung metallischer Strukturbauteile mittels Laserstrahlschmelzen wird heutzutage technisch für verschiedene Werkstoffe sicher beherrscht. Dagegen steckt die entsprechende Verarbeitung von Funktionsmaterialen bisher noch in einer grundlegenden Erkundungsphase. Zusätzlich bleibt die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe wegen der bisher nicht ausgereiften Multimaterialkonzepte ungelöst, wodurch sich die Funktionalisierung additiv gefertigter Strukturbauteile im Prozess schwierig gestaltet. Ein alternativer Ansatz besteht als Komponentenintegration [1] im Einsetzen aktiver Bauteile über eine „pick and place“-Methode in die additiv gefertigten Bauteile während einer Unterbrechung des Bauprozesses. So lassen sich Thermoelemente in additiv gefertigten Werkzeugen [2] oder neuartige Sensor-Aktor-Systeme in medizinischen Implantaten [3] umsetzen. Derartige Integrationskonzepte sind auf Verkabelungen angewiesen oder weisen eine zu geringe thermische Belastbarkeit auf, wodurch eine anschließende Wärmehandlung nicht mehr möglich ist. Im vorliegenden Fall wird ein Konzept für die Realisierung einer magnetischen Funktionalisierung vorgestellt. Hierfür werden Nd-Fe-B-Sintermagnete in nichtmagnetische Bauteile des Werkstoffs 1.4404 (X2CrNiMo17-13-2) mittels Laserstrahlschmelzen integriert. Die werkstoffseitigen Besonderheiten der Prozessführung für eine bestmögliche Anbindung an den Magneten werden betrachtet und die Gefügeentwicklung im Magneten sowie im Übergangsbereich zwischen Magnet und Stahl diskutiert. Zusätzlich wird speziell auf die Wechselwirkung zwischen dem Laser und dem hartmagnetischen Material eingegangen. Im Weiteren werden die resultierenden magnetischen Eigenschaften bezüglich ihrer Abhängigkeit von den gewählten Prozessparametern sowie ihre denkbare Anwendung in Sensoranwendungen diskutiert. Die Möglichkeit einer anschließenden Wärmebehandlung der integrierten Funktionsgruppe bis 1000°C wird demonstriert, wodurch das Integrationskonzept auch auf Werkstoffe mit anschließender Wärmebehandlung übertragbar ist

Einfluss der Bauplattentemperierung auf die Umwandlungseigenschaften einer generativ verarbeiteten Cu-11,85Al-3,2Ni-3Mn-Formgedächtnislegierung: Poster präsentiert auf der WerkstoffWoche 2019, Messe Dresden, 18.-20.09.2019

Kupferbasierte Legierungen mit Formgedächtniseffekt (z. B. Cu-Al-Ni-Mn) sind vergleichs-weise kostengünstige Vertreter im Bereich der Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen (HT-FGL) mit guten Umwandlungseigenschaften. Üblicherweise werden sie über konventionelle schmelzmetallurgische Prozesse hergestellt und dann einer thermomechanischen Behandlung unterzogen. Für die vorliegende Arbeit wurde die Formgedächtnislegierung Cu-11,85Al-3,2Ni-3Mn (Masse-%) mit hohen Abkühlraten unter Nutzung des Laserstrahlschmelzens (Laser Beam Melting – LBM) prozessiert und end-konturnahe Bauteile mit einer hohen relativen Dichte, feinkörnigem Gefüge und Umwandlungstemperaturen im Bereich von 100°C hergestellt. Das Ziel der weiterführenden Arbeiten lag darin, das Umwandlungsverhalten bereits während der Herstellung durch Verwendung einer Substratheizung zu beeinflussen, um auf eine nachträgliche Wärmbehandlung zur Erhöhung der Umwandlungstemperaturen verzichten zu können. Die Werte der Substratheizung wurden dafür in einem Bereich von 150 bis 450°C variiert und zunächst der Einfluss auf die Phasenbildung untersucht. Aufgrund der konstant anliegenden Wärme erfolgt eine Glühbehandlung der bereits erschmolzenen Schichten, wodurch sich, je nach Temperatur und Bauteilhöhe, eine deutliche Erhöhung der Umwandlungstemperaturen ergibt. Durch die Nutzung des Laserstrahlschmelzens in Kombination mit einer Substratheizung ergibt sich eine neue Möglichkeit für die Herstellung von endkonturnahen Kupfer-Basis-Formgedächtnisbauteilen. Die Umwandlungseigenschaften lassen sich während der Herstellung, in Abhängigkeit von der Prozessauslegung, gezielt einstellen. Dadurch wird eine Programmierung potentieller FGL-Geometrien ermöglicht, ohne die Formgedächtnis-eigenschaften (z. B. Pseudoelastizität) negativ zu beeinflussen

Influence of substrate plate heating on the properties of an additively manufactured Cu-Al-Ni-Mn shape-memory alloy: Presentation held at Shape Memory and Superelastic Technology Conference and Exposition, May 13-17, 2019, Konstanz, Germany

There is a major interest in Cu-based shape-memory alloys (SMAs) mainly due to their low cost and promising shape-memory properties. Yet, the applicability of these alloys is limited by their brittleness in the coarse-grained polycrystalline state, which is caused by a strong elastic anisotropy and the precipitation of intermetallic phases(a). Here, selective laser melting (SLM), an additive manufacturing technique, was used to tailor the phase formation and microstructure of the high-temperature shape-memory alloy Cu-11.85Al-3.2Ni-3Mn (wt.%)(b). The SLM process is capable of producing crack-free, fully martensitic samples with a reduced grain size, a high relative density of about 99% and transformation temperatures around 100°C. The focus of the present work is to utilize substrate plate heating for enhancing the transformation temperatures of directly fabricated specimens. In the first step, the substrate plate temperature was varied between 150 and 450°C in order to investigate the influence on the phase formation during SLM processing. The transformation behaviour can be correlated with the substrate plate temperature used during manufacturing and is compared with non-heated as well as conventionally annealed SLM samples. The use of substrate plate heating during selective laser melting of Cu-11.85Al-3.2Ni-3Mn proves to be a promising tool to prepare shape-memory parts with increased transformation temperatures without compromising the shape-memory behaviour, viz. pseudoelasticity, or the need of additional annealing steps

Hybrider Ansatz für verbesserte mechanische Eigenschaften in laserstrahlgeschmolzenen Ti6Al4V-Bauteilen: Poster präsentiert auf dem 7. Dresdner Werkstoffsymposium 2018, Werkstoffe für die industrielle Fertigung, 06.-07.12.2018, Dresden

Online Datenerfassung relevanter Parameter des Bauteils im Betrieb ermöglicht optimale Auslegung und Einsatz. Dies lässt sich durch Sensor/Aktor-Systeme (SAS), die direkt in das Bauteil integriert werden können, realisieren. Hierdurch werden auch weitere, bisher nicht umsetzbare Funktionalitäten ermöglicht. Ti6Al4V wird üblicher Weise einer Wärmebehandlung im Bereich der Transustemperatur (ca. 990°C) unterzogen. Nach der Integration des SAS lässt sich das Bauteil nicht mehr wärmebehandeln. Damit ergeben sich unzureichende mechanische Eigenschaften für Ti6Al4V-Bauteile. Alternativ kann das Bauteil in einem Hybridprozess in 2 Stufen gefertigt werden, wobei zuerst der Kern mittels LBM gebaut und wärmebehandelt wird. Nach der Integration das SAS wird der LBM-Prozess mit dem Bau der Hülle fortgesetzt. Im Beitrag wird das Gefüge nach dem Hybridprozess und die resultierenden mechanischen Eigenschaften untersucht und mit dem Zustand nach dem konventionellen Bauprozess sowie nach einer anschließenden Wärmebehandlung verglichen

Verfahrensübergreifende additive Verarbeitung des Einsatzstahls 1.2764 für Werkzeuge mit verbesserten Verschleißeigenschaften: Vortrag gehalten auf der Werkstoffwoche, 18.-20.09.2019, Dresden

Der Werkzeugbau stellt eine bedeutende Anwendung der additiven Fertigungsverfahren dar, wobei der Stahl 1.2709 (X3NiCoMo18-9-5) der etablierte Werkstoff ist. Allerdings ist dieser in seiner maximal erreichbaren Härte von maximal 52 HRC und damit auch in seiner Verschleißbeständigkeit limitiert. Der Wunsch, weitere Stähle mit besseren mechanischen Eigenschaftsprofilen für additive Prozesse zu qualifizieren, ist demnach groß. Eine attraktive Alternative stellen Einsatzstähle (wie z.B. 1.2764) dar, der in unserer Arbeit mittels Laserstrahlschmelzen (LBM – laser beam melting) und Laser-Pulver-Auftragsschweißen (kurz LPA) sowie in Kombination dieser beiden Verfahren für Werkzeuge mit einem hybriden Aufbau verarbeitet wurde. Der Einsatzstahl 1.2764 weist im gehärteten Zustand neben einer hohen Kernfestigkeit auch eine hohe erzielbare Randhärte von maximal 62HRC auf, die sich positiv auf die Verschleißbeständigkeit auswirkt. Außerdem zeichnet er sich durch seine Hochglanzpolierfähigkeit aus. Damit ist dieser Stahl prädestiniert für den Einsatz in Presswerkzeugen sowie in hochbeanspruchten Kunststoffformen. Die Kombination von Verfahren innerhalb der Prozesskette für eine hybride Fertigung hat den Vorteil, dass für die jeweiligen Einzelschritte das jeweils geeignetste Verfahren genutzt werden kann. Mittels LBM lassen sich beispielsweise filigrane Strukturen oder innenliegende Kavitäten fertigen, während der Vorteil von LPA aufgrund von höheren Aufbauraten in der Verkürzung der Fertigungsdauer liegt. In dieser Arbeit erfolgte der hybride Aufbau werkstoffrein, wobei auf einem konventionell gefertigten Grundkörper zunächst Bereiche mit LPA aufgebaut und anschließend mittels LBM weitergebaut wurde. Die Ergebnisse umfassen die Besonderheiten der Gefüge der unterschiedlichen Verfahren sowie die Betrachtung der Übergangsbereiche. Die Auswirkungen auf die mechanischen Kennwerte werden diskutiert und Verläufe über die unterschiedlichen Bereiche hinweg präsentiert

Topology Optimized Unit Cells for Laser Powder Bed Fusion

The rise of additive manufacturing has enabled new degrees of freedom in terms of design and functionality. In this context, this contribution addresses the design and characterization of structural unit cells that are intended as building blocks of highly porous lattice structures with tailored properties. While typical lattice structures are often composed of gyroid or diamond lattices, this study presents stackable unit cells of different sizes created by a generative design approach tomeet boundary conditions such as printability and homogeneous stress distributions under a given mechanical load. Suitable laser powder bed fusion (LPBF) parameterswere determined forAlSi10Mg to ensure high resolution and process reproducibility for all considered unit cells. Stacks of unit cells were integrated into tensile and pressure test specimens for which the mechanical performance of the cells was evaluated. Experimentally measured material properties, applied process parameters, and mechanical test results were employed for calibration and validation of finite element (FE) simulations of both the LPBF process as well as the subsequent mechanical characterization. The obtained data therefore provides the basis to combine the different unit cells into tailored lattice structures and to numerically investigate the local variation of properties in the resulting structures.Durch die Einführung der Additiven Fertigung können neue Freiheitsgrade in Bezug auf Gestaltungsfreiheit und Funktionalität erreicht werden. In diesem Zusammenhang adressiert dieser Beitrag das Design und die Charakterisierung struktureller Einheitszellen als Bausteine für hochgradig poröse Gitterstrukturen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Während typische Gitterstrukturen oft auf Gyroid- oder Diamantstrukturen basieren, präsentiert dieser Beitrag stapelbare Einheitszellen unterschiedlicher Größe, die durch einen generativen Designansatz erstellt wurden. Hierdurch sollen verschiedene Randbedingungen wie eine gute Druckbarkeit und homogene Spannungsverteilung unter gegebenen mechanischen Lasten erreicht werden. Um eine hohe Auflösung und Reproduzierbarkeit der Einheitszellen zu erreichen, wurden für den verwendeten Werkstoff AlSi10Mg geeignete Druckparameter für das Laserstrahlschmelzen (LPBF) ermittelt. Stapel von Einheitszellen wurden in Zug- und Druckproben integriert, anhand derer die mechanische Stabilität der Zellen ermittelt wurde. Experimentell bestimmte Materialeigenschaften, die verwendeten Prozessparameter und die Ergebnisse der mechanischen Untersuchungen wurden anschließend für die Kalibrierung und Validierung Finiter Elemente (FE) Simulationen herangezogen, wobei simulationsseitig sowohl der Prozess des Laserstrahlschmelzens als auch die nachgelagerte mechanische Charakterisierung berücksichtigt wurden. Die hier präsentierten Ergebnisse sollen als Basis sowohl für eine gezielte Anordnung der Einheitszellen zu maßgeschneiderten Gitterstrukturen dienen als auch für die numerische Auswertung der lokal variierenden Eigenschaften der somit resultierenden Strukturen