Fraunhofer IWM macht Nachbehandlung von AM-Bauteilen berechenbar

Additiv gefertigte Metallbauteile bieten große konstruktive Freiheit und hohe Individualisierung. In sicherheitsrelevanten Anwendungen, etwa in der Luftfahrt, im Automotive-Bereich oder in der Energietechnik, scheitert ihr Einsatz bislang jedoch häufig an unzureichender Ermüdungsfestigkeit. Oberflächenrauheit, Zugeigenspannungen und Gefügedefekte wie Gasporen 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 vermindern. Sie verdichten die Randschicht, reduzieren die Defektdichte und bringen Druckeigenspannungen ein. Bislang fehlte jedoch ein praxistaugliches Berechnungsmodell für deren gezielten Einsatz bei AM-Bauteilen. Forscher des Fraunhofer IWM haben dafür nun eine modellgestützte Optimierungsstrategie entwickelt. Grundlage bildet ein Lebensdauernachweis nach den weit verbreiteten FKM-Richtlinien, der auch die Effekte der Oberflächennachbehandlung berücksichtigt.

Nachbehandlung erhöht Ermüdungsfestigkeit von AM-Bauteilen

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekts wurde die Berechnungskette an den AM-Werkstoffen AlSi10Mg, 316L und Ti6Al4V sowie den Herstellprozessen Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Cold Metal Fusion (CMF) validiert. Abhängig von Bauteilgeometrie und Lage der höchstbeanspruchten Stellen wird zunächst das geeignete Nachbehandlungsverfahren bestimmt. Eine Prozesssimulation sagt anschließend Randschichteigenschaften wie Eigenspannungen, Rauheit und Verfestigung in Abhängigkeit von Parametern wie Strahldruck, Anpressdruck oder Bahnüberlappung voraus. Die Lebensdauerbewertung erfolgt auf Basis der für die gedruckten und nachbehandelten Werkstoffe angepassten FKM-Richtlinien. In den Modellversuchen konnte die Schwingfestigkeit um bis zu 40 Prozent gesteigert und die Lebensdauer um mehrere Dekaden verlängert werden. Die Ergebnisse wurden durch Ermüdungsexperimente auf Proben- und Bauteilebene validiert. Die Methode lässt sich bereits in der Vorentwicklung einsetzen und ermöglicht den rechnerischen Vergleich verschiedener Nachbehandlungsstrategien, bevor der erste Bauteiltest stattfindet. Da Bauteile überwiegend von der Oberfläche ausgehend versagen, kann eine maßgeschneiderte Nachbehandlung zudem prozessbedingte Streuungen im AM-Druckprozess teilweise kompensieren.