Bis zu 40 Prozent ermüdungsfester: Modellgestützte Optimierungsstrategie des Fraunhofer IWM ermöglicht gezielte Auslegung mechanischer Oberflächennachbehandlungen für additiv gefertigte Metallbauteile.
Additiv gefertigte Metallbauteile versprechen konstruktive Freiheit und hohe Individualisierung. In sicherheitsrelevanten Anwendungen scheitert ihr Einsatz bislang jedoch oft an der unzureichenden Ermüdungsfestigkeit: Oberflächenrauheit, Zugeigenspannungen und Gefügedefekte wie Gasporen oder mangelnde Anbindung (Lack of Fusion, LOF) wirken als Rissstarter und können zu einem vorzeitigen Bauteilversagen führen. Ob Kugelstrahlen, Festwalzen oder Glätten: Mechanische Verfahren zur Oberflächenbehandlung können diese Schwachstellen gezielt beseitigen oder vermindern. Sie verdichten die Randschicht, reduzieren die Defektdichte und bringen Druckeigenspannungen ein. Bislang fehlte aber ein praxistaugliches Berechnungsmodell für deren gezielten Einsatz bei AM-Bauteilen.
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM haben diese Lücke nun geschlossen. Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWE geförderten Projekts (Förderkennzeichen IGF 22833 N, AM Oberfläche) wurde eine modellgestützte Berechnungskette entwickelt und an den AM-Werkstoffen AlSi10Mg, 316L und Ti6Al4V (Herstellprozesse LPBF Laser Powder Bed Fusion und CMF Cold Metal Fusion) validiert.
Modellgestütze Berechnungskette
Von der Beanspruchungsanalyse zur Lebensdauervorhersage: Die durchgängige Berechnungskette verknüpft dabei drei Schritte: 1. Bauteilbewertung und Verfahrensauswahl: Je nach Bauteilgeometrie und Lage der höchstbeanspruchten Stellen wird das geeignete Nachbehandlungsverfahren bestimmt. 2. Prozesssimulation: Randschichteigenschaften wie Eigenspannungen, Rauheit und Verfestigung werden in Abhängigkeit der Prozessparameter vorhergesagt und optimiert, wie etwa Strahldruck, Anpressdruck und Bahnüberlappung. 3. FKM-basierte Lebensdauerbewertung: Die Lebensdauervorhersage erfolgt in Anlehnung an die FKM-Richtlinien, die bei Konstrukteuren und in KMU etabliert sind. In bestehende Entwicklungsprozesse lässt sie sich direkt integrieren. Der FKM-Lebensdauernachweis für die gedruckten und nachbehandelten Materialien AlSi10Mg, 316L, Ti6Al4V wurde dazu angepasst. Modellversuche haben gezeigt: Die Schwingfestigkeit konnte um bis zu 40 Prozent gesteigert und die Lebensdauer um mehrere Dekaden verlängert werden. Die Berechnungsergebnisse wurden durch Ermüdungsexperimente auf Proben- und Bauteilebene experimentell validiert.
„Ein gewichtiger Grund dafür, dass Nachbehandlungsverfahren bei AM-Bauteilen bisher kaum zum Einsatz kommen, ist das fehlende Verständnis der Wirkungskette von den Prozessparametern bis zur Lebensdauersteigerung und der fehlende Lebensdauernachweis“, erläutert Projektleiter Dr. Sascha Fliegener vom Fraunhofer IWM. „Mit unserer Methode eröffnen wir jetzt Spielräume für neue Anwendungen.“
Mehrwert in der Konstruktion
Die Methode lässt sich bereits in der Vorentwicklung einsetzen und ermöglicht den rechnerischen Vergleich verschiedener Nachbehandlungsstrategien, und zwar bevor der erste Bauteiltest stattfindet. Bauteile versagen überwiegend von der Oberfläche ausgehend: Eine maßgeschneiderte Nachbehandlung kann hier prozessbedingte Streuungen im AM-Druckprozess teilweise kompensieren. Auf Basis grundlegender Werkstoffkennwerte wie Streckgrenze und Zugfestigkeit lassen sich die Effekte außerdem auf neue Werkstoffe übertragen. Damit steht laut Angaben des Instituts erstmals eine rechnergestützte Auslegungshilfe für die mechanische Oberflächennachbehandlung additiv gefertigter Metallbauteile zur Verfügung.
Bild (oben): Zyklische Belastungsprüfung eines additiv gefertigten Metallbauteils nach einer mechanischen Oberflächenbehandlung an den hochbeanspruchten Zonen. Im Versuch wird der Lebensdauergewinn durch die Nachbehandlung getestet.
Quelle: Fraunhofer IWM, Bild: Kai Wudtke / Fraunhofer IWM
