FitforAM – Auslegungskonzept für die Additive Fertigung

21.10.2020

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Bei additiv gefertigten Komponenten kann es zu Inhomogenitäten kommen. Diese können durch lokale und zeitlich variierende Energieeinträge während des Herstellungsprozesses verursacht sein. Die Folge: Die Mikrostruktur innerhalb einer additiv gefertigten Komponente variiert und damit auch ihre mechanischen Eigenschaften. Inhomogene Werkstoffeigenschaften lassen sich nur schwer abbilden. Es ist davon auszugehen, dass die z.B. an Begleitproben gewonnenen mechanischen Kennwerte für die kritischen Stellen im Bauteil nicht repräsentativ sind.

Es soll ein Auslegungskonzept für additiv gefertigte Komponenten entwickelt werden. Dieses Konzept soll auf einer bruchmechanischen Berechnung der lokal erreichbaren Lebensdauer des höchstbelasteten Bereiches einer Komponente basieren. Der Ansatz soll eine Aussage darüber ermöglichen, welche maximalen Defektgrößen an diesen Stellen zulässig sind.

Eine zentrale Aufgabe ist die simulative Berechnung der Temperaturhistorie von Komponenten und eine Übertragung auf Probekörper-Geometrien. Die Werkstoffkennwerte sollen an Proben ermittelt werden, welche die lokale Temperaturhistorie eines Komponentenbereiches abbilden. Für die Lebensdauerberechnung soll die an der BAM entwickelte IBESS-Methode erstmalig auf additive Proben angewandt werden.

Das Projekt FitForAM ist ein BAM-finanziertes Projekt und wird in Zusammenarbeit des Fachbereichs Schweißtechnische Fertigungsverfahren und des Fachbereichs Integrität von Schweißverbindungen durchgeführt.

Herausforderung Bauteilauslegung

Additiv gefertigte metallische Komponenten finden zunehmend Anwendung in Branchen wie der Luftfahrt und Energietechnik. Aufgrund der bislang fehlenden Auslegungskriterien erfolgt der Einsatz bisher aber nur nach einem kosten- wie zeitaufwändigen bauteilindividuellen Qualifizierungsprozess. Der breite Einsatz additiv gefertigter Komponenten wird hierdurch maßgeblich behindert.

Bei additiv gefertigten Komponenten können mechanische Eigenschaften lokal variieren. Die Ursache dafür kann ein lokaler und zeitlich ungleichmäßiger Energieeintrag sein, die gewählte Aufbaustrategie oder unterschiedliche Geometriemerkmale. Die Mikrostruktur, Defekte innerhalb des Bauteils und die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften können lokal variieren. Die Inhomogenität der Werkstoffeigenschaften lässt sich durch begleitend hergestellte Prüfkörper bisher nicht ausreichend abbilden. Die dadurch gewonnenen mechanischen Kennwerte sind mitunter nicht repräsentativ für das eigentliche Bauteil.

Lebensdauerprognose mittels IBESS-Methode

Zielsetzung des Projekts FitForAM ist es, ein Auslegungskonzept für additiv gefertigte Komponenten zu entwickeln, das auf der bruchmechanischen Berechnung der Lebensdauer der Komponente basiert. Grundlage sind die Materialdaten der als versagensrelevant eingestuften Bereiche. Dies soll konkret für das additive Fertigungsverfahren Laserbasiertes Pulverbettschmelzen (Selective Laser Melting, SLM), und den nichtrostenden Werkstoff AISI 316L erfolgen. Für die Lebensdauerberechnung soll die an der BAM entwickelte IBESS-Methode erstmalig auf additive Proben angewandt werden. Ist die berechnete Lebensdauer unter Belastung zu gering, kann auf der Grundlage der so gewonnenen Information das Design lokal angepasst werden. Teil des Ansatzes ist eine Aussage darüber, welche maximalen Defektgrößen an diesen Stellen zulässig sind. Damit wird eine wichtige Zielgröße für die Qualitätssicherung mittels zerstörungsfreier Prüfung bereitgestellt.

Simulation der Temperaturhistorie für repräsentative Prüfkörper

Die Werkstoffkennwerte sollen an Proben ermittelt werden, welche die lokale Temperaturhistorie der schadensrelevanten Bereiche nachbilden. Hierfür ist die simulative Berechnung der Temperaturhistorie von realen Komponenten mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) und eine Übertragung auf Probekörper-Geometrien vorgesehen. Durch die Dimensionen realer Komponenten und den lokalen Energieeinträgen ergeben sich Skalenunterschiede, welche für eine FEM-Berechnung eine große Herausforderung darstellen. Hierfür soll ein Multi-Skalen-Ansatz eingesetzt werden. Die Validierung der berechneten Temperaturverläufe soll durch die Nutzung von Thermografie im Aufbauprozess erfolgen. Die BAM konnte hierbei bereits in laufenden Projekten Erfahrungen sammeln.