Defect and surface roughness assessment in fatigue critical additive manufactured metal components
The work presented in this thesis is dedicated to the fatigue assessment of Additive Manufactured (AM) metal components for aircraft critical applications and is the result of a collaboration with Airbus GmbH in Hamburg, Germany. Recent developments in AM technologies, and in particular Laser Powder Bed Fusion (LPBF), provide new opportunities for the aerospace industry. The design freedom enables lightweight and optimized parts offering a number of advantages as reducing the time to market, the buy to fly ratios, and the creation of complex geometries not possible with conventional manufacturing methods. Despite the high popularity and the multiple advantages of AM, its application in fatigue-critical components is still limited due to the presence of imperfections such as defects and high surface roughness. Indeed, due to the lack of full-scale production and service experience, the definition of part-specific Non Destructive Testing (NDT) requirements and the possibility of making full use of AM capabilities (e.g. use of as-built surfaces) end up being a challenge for existing characterization methods. In this optics, understanding the effects of defects and surface roughness is considered to be one of the significant key enablers for the technology. The close relationship between Fatigue & Damage Tolerance (F&DT) and NDT is becoming always more relevant; for specific part design, F&DT can feed it into NDT to be more targeted. On one hand, to improve the defect detection and characterization strategy used today that rely on time-consuming manual inspections with human interactions and inevitably consequent user dependency, an automatic methodology by use of Machine Learning has been developed. In this regard, the present work aims to establish a groundwork for automatic defects detection discussing the key role of Explainable Artificial Intelligence to assert a trust factor for NDT purposes. This approach represents a way forward in the field of AM and opens new possibilities for defect evaluation strategies. On the other hand, to obtain a detailed characterization of the fatigue performance in presence of AM imperfections, an extensive experimental test campaign at the coupon test level has been undertaken. Indeed, the influence of isolated artificial defects of different dimensions is investigated to provide a comparison towards the defect sensitiveness of two widely adopted materials in the aircraft industry (Ti6Al4V and Inconel 718). A particular focus has been given to the influence of the defect position where a more detrimental effect of defects directly exposed to the surface compared to bulk ones has been identified. This has been attributed to the higher stress intensity factor due to their position but also to the different environments at the crack tip during the propagation. Both features were taken into account to build a comprehensive Kitagawa-Takahashi diagram. The reported experimental results suggested that a clear distinction between internal and surface defects needs to be set for being able to adapt the inspection size criteria of real parts on a local-based approach. To study the influence of roughness, several post-surface treatment conditions were evaluated and areal roughness parameters were used to identify an Equivalent Initial Flaw Size (EIFS). To deal with both imperfections, a simplified fatigue life prediction model based on a fracture mechanic approach was devised. The proposed final semi-analytical solution represents a key enabler for a zone-based approach in NDT requirements. This approach allows easy allowable value definition as a function of local stresses and target life for the whole given component. The selection of NDT techniques and required resolution together with specific post-surface treatments can then be tailored correspondingly by minimizing the required effort and cost per part.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Arbeit widmet sich der Ermüdungsbewertung von additiv gefertigten (AM) Metallkomponenten für kritische Flugzeuganwendungen und ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit mit der Airbus GmbH in Hamburg, Deutschland. Die jüngsten Entwicklungen im Bereich der AM-Technologien, insbesondere das Laser Powder Bed Fusion (LPBF), bieten neue Möglichkeiten für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Die Designfreiheit ermöglicht leichte und optimierte Teile, die eine Reihe von Vorteilen bieten, wie z. B. die Verkürzung der Markteinführungszeit, die Verringerung des "Buy to Fly"-Verhältnisses und die Erstellung komplexer Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht möglich sind. Trotz der zahlreichen Vorteile der AM-Technologie ist ihre Anwendung bei ermüdungskritischen Bauteilen aufgrund von Imperfektionen wie Defekten und hoher Oberflächenrauhigkeit noch immer begrenzt. Aufgrund der fehlenden Erfahrung mit der Produktion und dem Service in großem Maßstab stellen die Definition der Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) von Bauteilen und die Möglichkeit, die Möglichkeiten von AM in vollem Umfang zu nutzen (z. B. die Verwendung von Oberflächen im Ist-Zustand), eine Herausforderung für die bestehenden Charakterisierungsmethoden dar. In dieser Hinsicht wird das Verständnis der Auswirkungen von Defekten und Oberflächenrauhigkeit als eine der wichtigsten Grundvoraussetzungen für die Realisierung dieser Technologie angesehen. Die enge Wechselwirkung der Ermüdungs- und Schadenstoleranz (F&DT) mit der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) gewinnt immer mehr an Bedeutung; für ein spezifisches Bauteildesign soll das F&DT-Verhalten in die Planung der zerstörungsfreien Prüfung einfließen, um diese gezielter zu gestalten. Um die heute verwendeten Strategien zur Defekterkennung und -charakterisierung zu verbessern, die auf zeitaufwändigen manuellen Inspektionen mit menschlicher Interaktion und zwangsläufig daraus resultierender Benutzerabhängigkeit beruhen, wurde eine automatische Methodik unter Verwendung von Machine Learning entwickelt. In diesem Zusammenhang zielt die vorliegende Arbeit darauf ab, eine Grundlage für die automatische Fehlererkennung zu schaffen, wobei die Schlüsselrolle der erklärbaren künstlichen Intelligenz diskutiert wird, um einen Vertrauensfaktor für ZfP-Zwecke zu schaffen. Dieser Ansatz stellt einen Fortschritt auf dem Gebiet der AM dar und eröffnet neue Möglichkeiten für Fehlerbewertungsstrategien. Um eine detaillierte Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens bei vorhandenen AM-Defekten zu erhalten, wurde eine umfangreiche experimentelle Testkampagne auf Coupon-Ebene durchgeführt. Dabei wurde der Einfluss isolierter künstlicher Defekte unterschiedlicher Größe untersucht, um einen Vergleich der Defektempfindlichkeit von zwei in der Luftfahrtindustrie weit verbreiteten Werkstoffen (Ti6Al4V und Inconel 718) zu ermöglichen. Besonderes Augenmerk wurde auf den Einfluss der Defektposition gelegt, wobei eine nachteiligere Auswirkung von Defekten, die unmittelbar an der Oberfläche liegen, im Vergleich zu internen und damit geschlossenen Defekten festgestellt wurde. Dies wurde auf den höheren Spannungsintensitätsfaktor aufgrund ihrer Position zurückgeführt, aber auch auf die unterschiedlichen Umgebungen an der Rissspitze während der Ausbreitung. Beide Merkmale wurden berücksichtigt, um ein umfassendes Kitagawa-Takahashi-Diagramm zu erstellen. Die experimentellen Ergebnisse legen nahe, dass eine klare Unterscheidung zwischen Innen- und Oberflächendefekten getroffen werden muss, um die Kriterien für die Prüfgröße von realen Teilen auf der Grundlage eines ortsbezogenen Ansatzes anpassen zu können. Um den Einfluss der Rauheit zu untersuchen, wurden verschiedene Bedingungen für die Nachbehandlung der Oberfläche bewertet und flächenbezogene Rauheitsparameter verwendet, um eine äquivalente Anfangsfehlergröße (EIFS) zu ermitteln. Um beide Imperfektionsarten zu berücksichtigen, wurde ein vereinfachtes Modell zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer auf der Grundlage eines bruchmechanischen Ansatzes entwickelt. Die vorgeschlagene endgültige semi-analytische Lösung stellt eine wichtige Voraussetzung für einen zonenbasierten Ansatz bei ZfP-Anforderungen dar. Dieser Ansatz ermöglicht eine einfache Definition der zulässigen Werte als Funktion der lokalen Spannungen und der Ziellebensdauer für das gesamte Bauteil. Die Auswahl der ZfP-Techniken und der erforderlichen Auflösung zusammen mit spezifischen Nachbehandlungen der Oberfläche kann dann entsprechend angepasst werden, um den erforderlichen Aufwand und die Kosten pro Teil zu minimieren.
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