Werkstoff-Strukturoptimierung in AM-Fatigue-Labs

Hochauflösendes Messsystem im AM-Fatigue-Lab des Fraunhofer LBF. FOTO: FRAUNHOFER LBF

 

VON RAINER WAGENER, DARMSTADT


Die Additive Fertigung (AM) ist eine ergänzende Fertigungstechnologie, deren Produkte aufgrund der schichtweisen Bauweise besondere Eigenschaften aufweisen können. Je nach Sichtweise kann dies als Chance für innovative Produkte und Prozesse oder als Hinderungsgrund für die Einführung dieser neuen Fertigungstechnologie aufgefasst werden. Aufgrund der kurzen Fertigungskette, die wenn möglich nur aus einem Fertigungsschritt bestehen soll, können sich lokal sehr komplexe Werkstoffzustände einstellen. Zur Hebung des Leichtbaupotenzials der Additiven Fertigung werden erweiterte Erkenntnisse bezüglich der Berücksichtigung von anisotropem Werkstoffverhalten, Eigenspannungen und Imperfektionen, z.B. Poren, benötigt. Abhängig vom Additiven Fertigungsverfahren sind technologiebedingte Rahmenbedingungen zu beachten.

 

 

 

Aufgrund der Fertigungszeit sowie des mitunter begrenzten Bauraums werden Additive Fertigungsverfahren auf absehbare Zeit vorzugsweise für kleine, filigrane Strukturen eingesetzt. Um deren bauteilgebundenes Werkstoffverhalten verstehen zu können, sind neue bzw. optimierte Analysemethoden erforderlich. Unter der Voraussetzung, dass die Ermüdung ein lokales Phänomen ist, das zum globalen Versagen führen kann, bieten sich kleinere Proben zur Charakterisierung des zyklischen Werkstoff- bzw. Strukturverhaltens an, sofern sichergestellt ist, dass die lokalen Eigenschaften der Proben mit den zu erwartenden Bauteileigenschaften übereinstimmen. Durch die Additive Fertigung wird nicht nur eine neue Gestaltungsfreiheit für innovative Produkte erschlossen, sondern sie bietet auch die Möglichkeit, lokale Einflüsse besser zu verstehen und auf konventionelle Fertigungstechnologie zu transferieren. Um diese Chance ergreifen zu können, wurden am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF ein AM-Fatigue-Lab eingerichtet. Die Besonderheit dieses neuen Betriebsfestigkeitslabors ist die Fokussierung auf kleine Werkstoffproben oder Bauteile, um das lokale bauteilgebundene Werkstoffverhalten genauer zu verstehen und für die virtuelle Produktentwicklung aufbereiten zu können.
Die fortschreitende Digitalisierung, d. h. der Einsatz aktueller und kommender Rechnergenerationen, erlaubt eine detailliertere Betrachtung des (zyklischen) Werkstoffverhaltens im Rahmen einer numerischen Beanspruchbarkeitsanalyse. Dabei darf die Wirtschaftlichkeit nicht vernachlässigt werden, denn nur wenn der gesteigerte numerische Aufwand zu signifikant besseren Ergebnissen führt, ist dieser auch gerechtfertigt. Um die Chancen der Digitalisierung auch für eine Lebensdauerabschätzung von zyklisch beanspruchten Bauteilen nutzen zu können, sind bestehende Grenzen bei der experimentellen Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung zu überwinden. Denn es widerspricht der Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit, die Lebensdauer von Produkten zu begrenzen, weil kein ausreichendes, experimentell abgesichertes Wissen aufgrund von ungeeigneter Prüftechnik vorliegt, bzw. die erforderlichen Validierungskampagnen aufgrund des zeitlichen Aufwandes nicht realisierbar sind.

Dr.-Ing. Rainer Wagener, Gruppenleiter Bauteilgebundenes Werkstoffverhalten, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt

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