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Additive Manufacturing: a Tool for Engineering Microstructures and Mechanical behavior

Applicant Polatidis Efthymios
Number 188767
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.11.2020 - 31.10.2024
Approved amount 278'664.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Material Sciences
Other disciplines of Engineering Sciences
Mechanical Engineering

Keywords (6)

Multiaxial loading; Austenitic steels; Transformation induced plasticity; Additive manufacturing; Twinning induced plasticity; Selective laser melting

Lay Summary (German)

Lead
In diesem Projekt wollen wir erreichen, die Additive Fertigungs- Prozessparameter jeweils so optimieren zu können, um die besten mechanischen Eigenschaften von Metalle für komplexe Betriebsbedingungen zu ermöglichen.
Lay summary

Der Begriff Additive Fertigung, umgangssprachlich auch 3D-Druck, bezeichnet eine Reihe technologisch wichtiger Prozesse für die Produktion z.B. metallischer Komponenten. Bei der additiven Fertigung wird das Bauteil durch schichtweises Aufschmelzen von Pulver hergestellt und typischerweise kann die Wärmequelle für das lokale Erhitzen ein Laser, ein Elektronenstrahl oder ein Lichtbogen sein. In diesem Projekt werden ausschließlich laserbasierte Technologien eingesetzt, im Fachjargon als Selective Laser Melting (SLM) bezeichnet (Selektives Laserstrahlschmelzen). Durch das schichtweise Druckverfahren bietet die additive Fertigung die Möglichkeit, komplexe Teilen zu erstellen, die mit herkömmlichen (subtraktiven) Methoden nicht hergestellt werden können. Diese Spezialteile werden heutzutage vor allem in der Luftfahrt-, Implantat- und Automobilindustrie eingesetzt.

Bei der Verarbeitung von metallischen Werkstoffen mit Additiver Fertigung ist das Endprodukt stark von den Fertigungsparametern abhaengig. Durch  Änderung von Parametern können die Materialeigenschaften gezielt beeinflusst werden. In diesem Projekt wollen wir erreichen, die Prozessparameter jeweils so optimieren zu können, um die besten mechanischen Eigenschaften für komplexe  Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Damit ermöglichen wir, Einzelkomponenten mit lokal auf die Betriebsbedingungen zugeschnittenen Eigenschaften bauen zu können. Der Erfolg dieses Projekts soll das Potenzial der Additiven Fertigung für eine Vielzahl von Anwendungen zugänglich machen.

Direct link to Lay Summary Last update: 08.10.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Abstract

The goal of the proposed research is to use selective laser melting (SLM) for tuning the twinning induced plasticity (TWIP) and transformation induced plasticity (TRIP) properties of austenitic stainless steels. The research is based on two recent observations: 1) the strengthening TWIP and TRIP mechanisms depend strongly on the crystallographic texture and the load path and 2) the texture of a material can be tuned by manipulating the SLM parameters.The project will consist of mainly two parts, each focusing on a particular goal inspired by these previous observations. The first goal is to pinpoint specific SLM building strategies to produce materials with desired and well-controlled crystallographic textures. Indeed, preliminary observations published in literature have shown that, by varying the depth of the melt pool, the laser scanning pattern, the laser power input or the layer thickness, different microstructures and crystallographic textures can be obtained.During the second part, the study will focus on characterizing the TWIP and TRIP behavior of the textures obtained by SLM. This study is based on previous observations of the principal investigator (PI) demonstrating that the TWIP and TWIP effects depend strongly on the crystallographic texture and load path. Following the building strategies of the first part, samples will be manufactured with optimized textures, tailored to different load paths, allowing pronounced TWIP or TRIP effect. Characterization of the microstructure and mechanical behavior will include in situ uniaxial (tension or compression) and multiaxial deformation during neutron diffraction, electron backscatter diffraction (EBSD) and high-resolution digital image correlation (HR-DIC) in SEM. The combination of these techniques will provide a comprehensive understanding on the interplay of texture, load path and grain interactions on the deformation mechanisms.The proposed study will demonstrate that SLM is potentially a key process for engineering the microstructure of metallic alloys to different load paths. The deliverables of this project will be: a) find specific building strategies for controlling/manipulating the crystallographic texture during SLM processing of TWIP or TRIP steels b) investigate if the tuned crystallographic textures exhibit enhanced mechanical behavior during uniaxial/multiaxial loading. It is the medium-term vision of the PI that SLM can be exploited for tuning the microstructure within a single building task. The latter will aid the development of components with locally tuned microstructure, tailored to the complex loading states that occur in operando. This will allow tackling pre-mature materials failure due fatigue crack propagation or maximizing the energy absorption in impact loading states.
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