Mechanische Hochtemperaturprüfung von additiv gefertigten Teilen
Quelle: BAM
Die Ermüdungsschädigung von additiv gefertigten metallischen Strukturen ist hinsichtlich der Tragfähigkeit und Integrität dieser Bauteile anwendungsbegrenzend. Ungeachtet intensiver Forschungsarbeit kann das Problem bis heute nicht als gelöst betrachtet werden. Die wichtigsten Faktoren, welche die Gesamtlebensdauer und Schwingfestigkeit sowie das Ermüdungsrisswachstum einschließlich seines Schwellenwertes auf unterschiedliche Weise beeinflussen, sind die Oberflächenintegrität einschließlich der Rauheit, Hohlräume wie Poren und, viel ungünstiger, nicht aufgeschmolzene Materialbereiche. Weiterhin spielen die Inhomogenität und Anisotropie des Werkstoffs bis hin zur kristallographischen Textur mit Vorgabe des Risslaufwegs, etwa in Abhängigkeit von Aufbaurichtung und Hatching-Strategie, eine wichtige Rolle. Schließlich ist auch ein Einfluss von Eigenspannungen zu erwarten, wobei in Rechnung zu stellen ist, dass sich diese unter Schwingbelastung umlagern und im günstigsten Fall relaxieren.
Eine der Aktivitäten in dem BAM-Themenfeldprojekt AGIL (Mikrostrukturentwicklung in additiv gefertigten metallischen Komponenten) besteht in der Untersuchung des Ermüdungsverhaltens mittels bruchmechanischer Methoden. Dabei werden theoretische Modellierung und Experiment miteinander verbunden. Abgedeckt werden sowohl Lang- als auch Kurzrisswachstum, was neben der klassischen Rissausbreitungs- und Restlebensdaueranalyse auch die Ermittlung der Gesamtlebensdauer bzw. der Schwingfestigkeit ermöglich soll.
REM/EBSD-Aufnahme der Kristallstruktur von additiv gefertigtem Edelstahl in Baurichtung
Quelle: BAM
Ein weiterer Aspekt der Modellierung ist die mikrostrukturbasierte Simulation des mechanischen Verhaltens von AM-Werkstoffen. Dazu werden reale Kornstrukturen aus der Mikrostrukturanalyse durch 3D-Rekonstruktion aus EBSD-Daten in virtuelle Kornstrukturen überführt und mithilfe von Kristallplastizitätsmodellen Verformungen und Spannungen berechnet. Mittels EBSD (Electron Backscattering Diffraction) werden Phasen und deren Orientierung, also die Kristallstruktur, ermittelt und abgebildet. Die Aufbaustruktur mit ihren lagenweisen Aufschmelzungen wird von der Kristallstruktur überlagert; beide sind nicht ortsidentisch. Die Untersuchungstechniken der BAM beinhalten neben der Ermittlung der Schwingfestigkeit auch die Unter-suchung des Bruchverhaltens mittels Fraktografie. Dadurch kann das Risswachstum in additiv gefertigten metallischen Werkstoffen nachvollzogen werden.