30.10.2020, 05:01

Ermüdung bei additiver Fertigung

Laboratorium simuliert Bauteil-Beanspruchung

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Ausgabe: Allgemeine Bauzeitung 44/2020

Darmstadt (ABZ). – Die additive Fertigung stößt derzeit in vielen Bereichen des Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbaus auf ein stetig wachsendes Interesse. Um die Zuverlässigkeit derartig gefertigter Bauteile besser steuern zu können, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF mit den "AM FATIGUE LABS" ein neues Laboratorium eingerichtet. Darin werden Methoden entwickelt, die Beanspruchungen für additiv gefertigte Bauteile simulieren.

Unternehmen — Um die Zuverlässigkeit additiv gefertigter Bauteile besser steuern zu können, hat das Fraunhofer LBF die "AM FATIGUE LABS" eingerichtet. Foto: Fraunhofer LBF, Raapke

Diese dienen wiederum als Grundlage für Bemessungsempfehlungen. Mit diesen wirklichkeitsnahen Simulationen können zutreffende Bemessungskennwerte zur Auslegung solcher Bauteile ermittelt werden. Sie gewährleisten außerdem eine verlässliche Designvalidierung, indem sie den Einfluss sämtlicher relevanter Prozessparameter, der Betriebsbeanspruchungen und von Umwelteinflüssen berücksichtigen. Eigens entwickelte Belastungssimulatoren machen die Messungen präziser und reproduzierbarer. Dies ermöglicht es, einen Einblick in das zyklische Werkstoff- und Bauteilverhalten zu erhalten, der mit klassischen Prüfmethoden kaum gelingt.

Um die Vorteile der additiven Fertigung im Sinne des Leichtbaus auch für sicherheitsrelevante Komponenten erschließen zu können, müssen Herausforderungen im Wechselfeld von Bauteilgeometrie, Fertigung, Betriebsbeanspruchungen und Umwelteinflüssen gemeistert werden. Abhängig unter anderem von der Geometrie eines Bauteils, der Belichtungsstrategie und dem verwendeten Werkstoff können nahezu beliebige Eigenschaftsgradienten im Bauteil eingestellt werden. Diese können jedoch auch dazu führen, dass geometrisch identische Bauteile sich unter gleicher Belastung im Betrieb unterschiedlich verhalten und unterschiedlich lange halten. Dass die Ermüdung von Bauteilen durch lokale Phänomene getrieben wird, ist bei additiv gefertigten Komponenten besonders wichtig. "Die neuen Freiheitsgrade bei der Bauteilentwicklung erfordern ein neues Bemessungskonzept, um das Potential dieser Fertigungstechnologie auch für zyklisch beanspruchte, sicherheitsrelevante Bauteile heben zu können", erklärt Dr. Rainer Wagener, unter dessen Federführung das neue Laboratorium am Fraunhofer LBF errichtet wurde. Der Herstellungsprozess induziert zum einen geometrische Defekte in Form von Poren, Einschlüssen oder rauen Oberflächen, zum anderen führt die lokal stark begrenzte Erwärmung zur Ausbildung signifikanter Eigenschaftsgradienten. Neben den Parametern der Belichtungsstrategie oder des Prozessgases, die der Benutzer steuern kann, spielt auch die Baurichtung sowie die Auslegung erforderlicher Stützstrukturen eine erhebliche Rolle bei der Ausbildung der Werkstoffmikrostruktur und somit der lokalen Eigenschaften inklusive der Defektverteilung.

In den AM FATIGUE LABS setzt das Team des Fraunhofer LBF unterschiedliche optische Dehnungssensoren ein. Auf diese Weise wird eine Dehnungsregelung beispielweise in versagensrelevanten Bauteilbereichen ermöglicht. Gleichzeitig können die Darmstädter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der lastsynchronen Messung lokaler Dehnungsfelder Informationen über den lokal wirkenden Schädigungsmechanismus ableiten. Diese Informationen können auch genutzt werden, um Bauteile zu verbessern. Indem das defektorientierte Verhalten von Werkstoffen bereits in frühen Auslegungsphasen berücksichtigt wird, können Werkstoffe zudem besser ausgenutzt werden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Verbundprojekt "Betriebsfestigkeit additiv gefertigter Bauteile – BadgeB", mit dem ein Teil des AM FATIGUE LABS realisiert werden konnte.