Mechanische Nachbehandlung erhöht Ermüdungsfestigkeit additiv gefertigter Metallbauteile

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM hat eine modellgestützte Berechnungsmethode für die mechanische Oberflächennachbehandlung additiv gefertigter Metallbauteile entwickelt. Die Methode berücksichtigt Verfahren wie Kugelstrahlen, Glätten und Festwalzen und verbindet Prozesssimulationen mit einem Lebensdauernachweis auf Basis der FKM-Richtlinien. In Modellversuchen ließ sich die Schwingfestigkeit um bis zu 40 Prozent steigern.

Additiv gefertigte Metallbauteile können insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen in der Luftfahrt, der Automobilindustrie oder der Energietechnik hohe Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit stellen. Oberflächenrauheit, Zugeigenspannungen und Gefügedefekte wie Gasporen oder mangelnde Anbindung (Lack of Fusion) können als Ausgangspunkte für Risse wirken und die Lebensdauer der Bauteile reduzieren.

Mechanische Oberflächenbehandlungen wie Kugelstrahlen, Festwalzen und Glätten setzen an diesen Einflussgrößen an. Sie können die Randschicht verdichten, die Defektdichte reduzieren und Druckeigenspannungen in die Oberfläche einbringen. Für die gezielte Auslegung dieser Verfahren bei additiv gefertigten Bauteilen fehlte bislang jedoch ein entsprechendes Berechnungsmodell.

Berechnungskette verbindet Prozesssimulation und Lebensdauerbewertung

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekts entwickelte das Fraunhofer IWM eine modellgestützte Berechnungskette. Validiert wurde sie für die Werkstoffe AlSi10Mg, 316L und Ti6Al4V sowie für die additiven Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) und Cold Metal Fusion (CMF).

Die Berechnung umfasst drei miteinander verknüpfte Schritte. Zunächst werden anhand der Bauteilgeometrie und der Lage der höchstbeanspruchten Bereiche geeignete Nachbehandlungsverfahren ausgewählt. Anschließend prognostiziert die Prozesssimulation Randschichteigenschaften wie Eigenspannungen, Rauheit und Verfestigung in Abhängigkeit von Parametern wie Strahldruck, Anpressdruck oder Bahnüberlappung.

Darauf folgt eine Lebensdauerbewertung in Anlehnung an die FKM-Richtlinien. Der Lebensdauernachweis wurde für die additiv gefertigten und nachbehandelten Werkstoffe AlSi10Mg, 316L und Ti6Al4V angepasst.

In den Modellversuchen wurde eine Steigerung der Schwingfestigkeit um bis zu 40 Prozent sowie eine Verlängerung der Lebensdauer um mehrere Dekaden erreicht. Die Berechnungsergebnisse validierten die Forscher durch Ermüdungsversuche auf Proben- und Bauteilebene.

„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.

Nachbehandlung bereits in der Bauteilauslegung berücksichtigen

Mit der Berechnungsmethode lassen sich unterschiedliche Nachbehandlungsstrategien bereits in der Vorentwicklung rechnerisch vergleichen. Da Ermüdungsrisse häufig von der Bauteiloberfläche ausgehen, kann eine angepasste Nachbehandlung zudem prozessbedingte Streuungen der additiven Fertigung teilweise kompensieren. Nach Angaben des Fraunhofer IWM lassen sich die Effekte auf Basis grundlegender Werkstoffkennwerte wie Streckgrenze und Zugfestigkeit auch auf weitere Werkstoffe übertragen.

Die Ergebnisse entstanden im Projekt „Mechanische Oberflächennachbehandlung additiv gefertigter, metallischer Komponenten zur gezielten Steigerung der Ermüdungsfestigkeit – AM Oberfläche“ (Förderkennzeichen IGF 22833 N) und wurden anschließend erweitert.

(Quelle: Fraunhofer IWM)