Oberflächennachbehandlung AM-Metallbauteile: Bis 40 Prozent mehr Ermüdungsfestigkeit

Eine modellgestützte Optimierungsstrategie erlaubt die gezielte Auslegung mechanischer Oberflächennachbehandlungen für AM-Metallbauteile. Die Basis bildet ein Lebensdauernachweis nach FKM-Richtlinien.

Beim Lebensdauernachweis der AM-Metallbauteile nach FKM-Richtlinien können die Effekte der Oberflächennachbehandlung mittels Kugelstrahlen, Glätten oder Festwalzen berücksichtigt werden. 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, etwa in der Luftfahrt, im Automotive-Bereich oder in der Energietechnik, scheitert ihr Einsatz bislang oft 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 Verfahren verdichten die Randschicht der AM-Metallbauteile

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 am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM haben diese Lücke jetzt geschlossen.

Von der Beanspruchungsanalyse zur Lebensdauervorhersage in einer durchgängigen Berechnungskette

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 LPBF Laser Powder Bed Fusion und CMF Cold Metal Fusion) validiert. Die Berechnungskette verknüpft 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 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 und eine Verlängerung der Lebensdauer um mehrere Dekaden. Die Berechnungsergebnisse wurden durch Ermüdungsexperimente auf Proben- und Bauteilebene experimentell validiert.

Forschungsprojekt SustainTool

Werkzeugbau: Methoden und Leitfäden für nachhaltige Prozesse

„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. Mit unserer Methode eröffnen wir jetzt Spielräume für neue Anwendungen“, betont Projektleiter Dr. Sascha Fliegener vom Fraunhofer IWM.

Mehrwert für Konstruktion und Produktentwicklung

Die Methode lässt sich bereits in der Vorentwicklung einsetzen und ermöglicht den rechnerischen Vergleich verschiedener 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 Basis grundlegender Werkstoffkennwerte wie Streckgrenze und Zugfestigkeit lassen sich die Effekte auch auf neue Werkstoffe übertragen. Damit steht erstmals eine rechnergestützte Auslegungshilfe für die mechanische Oberflächennachbehandlung additiv gefertigter Metallbauteile zur Verfügung.

Projektförderung

Die Projektergebnisse entstanden im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWE geförderten Projekt Mechanische Oberflächennachbehandlung additiv gefertigter, metallischer Komponenten zur gezielten Steigerung der Ermüdungsfestigkeit (Förderkennzeichen IGF 22833 N, AM Oberfläche) und wurden anschließend erweitert und ausgebaut.