Betriebsfestigkeit von additiv gefertigten Strukturen und Bauteilen

Mit dem Fortschreiten der additiven Fertigung (engl. Additive Manufacturing, AM) in Bereiche mechanisch und im Besonderen zyklisch beanspruchter metallischer Bauteile sind additive Fertigungsverfahren, wie bspw. das Laser-Pulverbett-Schmelzen (Pulverbettverfahren), neuen Herausforderungen und Qualitätsanforderungen unterworfen. Gegenüber dem Einsatz in frühen Entwicklungsphasen („Rapid Prototyping“) werden von additiv gefertigten Serienbauteilen Anforderungen an deren Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften gestellt, um diese in Leichtbauanwendungen mit den geforderten Eigenschaften umsetzen zu können. Dazu ist die gesamte Prozesskette von den zugrundliegenden Ausgangswerkstoffen, z.B. Metallpulver oder -draht, über die Prozessgrößen des Herstellverfahrens und dessen Auswirkungen bis hin Einsatzbedingungen der Bauteile einzubeziehen.

Um diesen Weg zu ebnen, setzt das Fraunhofer LBF die Metallographie ein, wodurch sich additiv gefertigte metallische Strukturen grundlegend charakterisieren lassen. Es zeigt sich, dass zu bekannten Einflussgrößen auf die Schwingfestigkeit, wie z.B. Kerben und Oberflächenrauheiten, sich aus anderen Fertigungsverfahren bekannte innere Unregelmäßigkeiten wie Poren, Bindefehler oder Risse einstellen können und prozessspezifische Einflüsse aus der Belichtungsstrategie oder Anisotropie auf das Gefüge werkstoffabhängig zu analysieren sind.

Zur Charakterisierung der zyklischen Eigenschaften wird unter Einsatz konventioneller und moderner Prüftechnik infolge kraft- und dehnungsgeregelter Versuchsführung das Spektrum von der Kurzzeitfestigkeit über den klassischen Zeitfestigkeitsbereich bis in die Langzeitfestigkeit abgedeckt. Die experimentelle Untersuchung bislang eingesetzter und neu entwickelter Werkstoffe dient nicht nur der Generierung einer Datenbasis, sondern auch zur Entwicklung von Bemessungskonzepten für additive gefertigte Strukturen und Bauteile, die die prozessspezifischen Einflussgrößen dieses Fertigungsverfahrens berücksichtigen. Dabei kann das Fraunhofer LBF bei der methodischen Entwicklung auf die Erfahrungen in der Betriebsfestigkeitsbewertung konventionell gefertigter Bauteile und eine zugehörige Datenbasis zyklischer Kennwerte zurückgreifen. Nicht zuletzt ist es schließlich auch erforderlich variable Beanspruchungssituationen und anwendungsbezogene Umgebungsbedingungen, wie sie schließlich auch im Einsatzbereich der Bauteile auftreten, in die Bewertung einfließen lassen.

Gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie treibt das Fraunhofer LBF somit nicht nur die Werkstoff- und Prozessentwicklung im Bereich der additiven Fertigung voran, sondern ist auf die Entwicklung von Modellen zur Lebensdauerabschätzung und Bemessungskonzepten für die Betriebsfestigkeit additiv gefertigter metallischer Bauteile und Strukturen fokussiert.