Auswirkung von zwei verschiedenen Scan-Strategien auf die Entwicklung von Mikrostruktur und Eigenspannung
Quelle: BAM, Fachbereich Mikro-ZfP
Die additive Fertigung (AM), gemeinhin als 3D-Druck bekannt, hat in den letzten Jahren sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie einen erheblichen Forschungsschwerpunkt erhalten. AM bezieht sich auf eine Familie von Schicht-für-Schicht Verarbeitungstechniken, die die Herstellung von metallischen Bauteilen mit einem Grad an Komplexität ermöglichen, der von konventionellen Techniken (z. B. Zerspanung) nicht erreicht werden kann. Tatsächlich bietet AM zahlreiche Möglichkeiten, die Mikrostruktur durch die Abstimmung von Prozessparametern, wie z. B. der Scanstrategie, anzupassen. Dennoch erzeugen das lokalisierte Schmelzen und die schnelle Abkühlung, die mit AM verbunden sind, hohe und komplexe Eigenspannungen (RS). Diese RS können die Integrität der Bauteile beeinträchtigen, wenn sie nicht richtig verstanden und verringert werden. In diesem Zusammenhang wird die Wahl der Scanstrategie auch als Methode zur RS-Reduzierung eingesetzt. Unidirektionales Scannen (Y-Scan, a1) erzeugt eine kolumnare und texturierte Mikrostruktur (a2). Bei einer 67°-Drehung (Rot-Scan, b1) zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten wird erwartet, dass die Verteilung des Wärmeflusses und der Spannung homogenisiert wird, wodurch der Texturierungsgrad und die Größe der kolumnaren Körner (b2) sowie die RS reduziert werden. Diese Entwicklung wird im Vergleich der untersuchten Proben (a3 und b3) auf der Probenoberseite bestätigt. Dort ist die in-plane RS-Komponente (hier: σY) in der Y-Probe größer ist als in der Rot-Probe (ΔσY ≈ 100 MPa). Auf der Seitenfläche ist die Spannungsdifferenz der in-plane RS-Komponente (hier: σZ) invertiert. Die Y-Probe weist kleinere Spannungswerte auf als die Rot-Probe (ΔσZ ≈ 400 MPa). Wir führen dieses Verhalten auf die Tatsache zurück, dass die Y-Scan-Mikrostruktur entlang der Baurichtung (BD/Z-Achse) eine höhere Kapazität besitzt, einen Teil der thermischen Spannung in plastische Dehnung (in Form von Versetzungsakkumulation) umzuwandeln, wodurch die RS reduziert werden. Diese Arbeit ebnet den Weg zu einem tieferen Verständnis der Beziehung zwischen Verarbeitung, Mikrostruktur und RS-Eigenschaften, die für die Weiterentwicklung der AM-Techniken von grundlegender Bedeutung ist.
The residual stress in as‑built Laser Powder Bed Fusion IN718 alloy as a consequence of the scanning strategy induced microstructure
Itziar Serrano-Munoz, Tatiana Mishurova, Tobias Thiede, Maximilian Sprengel, Arne Kromm, Naresh Nadammal, Gert Nolze, Romeo Romeo Saliwan‑Neumann, Alexander Evans, Giovanni Bruno
veröffentlicht in Scientific reports, Band 10, Heft 1, Seite 14645 ff., 2020
BAM, Fachbereich Mikro-ZfP und Fachbereich Integrität von Schweißverbindungen