Eine neue, modellgestützte Optimierungsstrategie des Fraunhofer IWM erlaubt erstmals die gezielte Auslegung von mechanischen Oberflächennachbehandlungen für AM-Bauteile aus Metall. Die Basis dazu bildet ein Lebensdauernachweis nach den weit verbreiteten FKM-Richtlinien. In diesem können auch die Effekte der Oberflächennachbehandlung mittels Kugelstrahlen, Glätten oder Festwalzen berücksichtigt werden, berichtet das Fraunhofer IWM. Darüber hinaus können Prozessparameter mit einer Simulation des Herstellprozesses und geeigneter Werkstoffmodelle besonders schnell angepasst werden. Die Optimierungsstrategie hilft Unternehmen, die additiv gefertigte Bauteile in hoch beanspruchten Bereichen einsetzen wollen, bei denen insbesondere eine hohe Ermüdungsfestigkeit gefordert ist.
Additiv gefertigte Metallbauteile versprechen konstruktive Freiheit und hohe Individualisierung. In sicherheitsrelevanten Anwendungen, beispielsweise in der Luftfahrt, im Automotive-Bereich oder in der Energietechnik, scheitert ihr Einsatz bislang häufig an unzureichender Ermüdungsfestigkeit: Oberflächenrauheit, Zugeigenspannungen und Gefügedefekte wie zum Beispiel Gas-Poren oder mangelnde Anbindung (Lack of Fusion, LOF) wirken als Rissstarter und können zu vorzeitigem Bauteilversagen führen.
Mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren wie Kugelstrahlen, Festwalzen und Glätten 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. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM haben diese Lücke jetzt geschlossen.
Berechnungskette von Beanspruchungsanalyse zur Lebensdauervorhersage
Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) geförderten Projekts wurde eine modellgestützte Berechnungskette entwickelt und an den AM-Werkstoffen AlSi10Mg, 316L und Ti6Al4V (Herstellprozesse: Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Cold Metal Fusion (CMF)) validiert. Die Berechnungskette verknüpft laut Fraunhofer IWM drei Schritte:
- Bauteilbewertung und Verfahrensauswahl: Je nach Bauteilgeometrie und Lage der höchstbeanspruchten Stellen wird das geeignete Nachbehandlungsverfahren bestimmt.
- Prozesssimulation: Randschichteigenschaften wie Eigenspannungen, Rauheit und Verfestigung werden in Abhängigkeit der Prozessparameter (z. B. Strahldruck, Anpressdruck, Bahnüberlappung) vorhergesagt und optimiert.
- FKM-basierte Lebensdauerbewertung: Die Lebensdauervorhersage erfolgt in Anlehnung an die bei Konstrukteuren und in kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) etablierten FKM-Richtlinien und lässt sich direkt in bestehende Entwicklungsprozesse integrieren. Der FKM-Lebensdauernachweis wurde dazu für die gedruckten und nachbehandelten Materialien AlSi10Mg, 316L, Ti6Al4V angepasst.
Das Ergebnis in den Modellversuchen ist eine Steigerung der Schwingfestigkeit um bis zu 40 Prozent sowie eine Verlängerung der Lebensdauer um mehrere Dekaden. Die Berechnungsergebnisse wurden durch Ermüdungsexperimente auf Proben- und Bauteilebene experimentell validiert. Die Projektergebnisse entstanden in dem vom BMWE geförderten Projekt Mechanische Oberflächennachbehandlung additiv gefertigter, metallischer Komponenten zur gezielten Steigerung der Ermüdungsfestigkeit – AM Oberfläche (Förderkennzeichen: IGF 22833 N) und wurden anschließend erweitert und ausgebaut.
Ein gewichtiger Grund dafür, dass Nachbehandlungsverfahren bei AM-Bauteilen bisher kaum zum Einsatz kommen, ist nach Aussage von Projektleiter Dr. Sascha Fliegener vom Fraunhofer IWM das fehlende Verständnis der Wirkungskette von den Prozessparametern bis zur Lebensdauersteigerung und der fehlende Lebensdauernachweis. Mit unserer Methode eröffnen wir jetzt Spielräume für neue Anwendungen.
Mehrwert für Konstruktion und Produktentwicklung
Die Methode lässt sich bereits in der Vorentwicklung einsetzen und ermöglicht den rechnerischen Vergleich von verschiedenen Nachbehandlungsstrategien, bevor der erste Bauteiltest stattfindet. Ein weiterer Vorteil: Da Bauteile überwiegend von der Oberfläche ausgehend versagen, kann eine maßgeschneiderte Nachbehandlung prozessbedingte Streuungen im AM-Druckprozess teilweise kompensieren. Auf der Basis von grundlegenden Werkstoffkennwerten wie Streckgrenze und Zugfestigkeit lassen sich die Effekte auch auf neue Werkstoffe übertragen.
Damit steht erstmals eine rechnergestützte Auslegungshilfe für die mechanische Oberflächennachbehandlung von additiv gefertigten Metallbauteilen zur Verfügung.
- www.iwm.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Zyklische Belastungsprüfung eines additiv gefertigten Metallbauteils nach einer mechanischen Oberflächenbehandlung an den hochbeanspruchten Zonen zur Ermittlung des Lebensdauergewinns durch die Nachbehandlung (Bild: Fraunhofer IWM / Kai Wudtke)
