Additive Fertigung: Realitätsnah simulieren, was Bauteile ermüden lässt

• Die additive Fertigung stößt in vielen Branchen 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, die wiederum als Grundlage für Bemessungsempfehlungen dienen.

Mit realitätsnahen Simulationen der Beanspruchung lassen sich zutreffende Bemessungskennwerte zur Auslegung additiv gefertigter Bauteile ermitteln. Sie gewährleisten außerdem eine verlässliche Designvalidierung für die additive Fertigung, indem sie den Einfluss sämtlicher relevanter Prozessparameter, der Betriebsbeanspruchungen sowie, je nach Anwendungsfall, Umwelteinflüsse berücksichtigen. Dabei steigern eigens entwickelte Belastungssimulatoren die Präzision und Reproduzierbarkeit der Messungen. Dies ermöglicht einen Einblick in das zyklische Werkstoff- und Bauteilverhalten, der mit klassischen Prüfmethoden kaum gelingt.

Um die Vorteile der additiven Fertigung zu erschließen, was den Leichtbau auch für sicherheitsrelevante Komponenten betrifft, sind zahlreiche Herausforderungen im Wechselfeld von Bauteilgeometrie, Fertigung, Betriebsbeanspruchungen und Umwelteinflüssen zu meistern. Abhängig unter anderem von der Bauteilgeometrie, der Belichtungsstrategie und dem verwendeten Werkstoff, lassen sich nahezu beliebige Eigenschaftsgradienten im Bauteil einstellen. Diese können jedoch auch dazu führen, dass geometrisch identische Bauteile unter gleicher Belastung deutlich unterschiedliches Betriebsverhalten und schließlich Lebensdauern haben.

Additive Fertigung: Lokale Phänomene treiben Bauteilermüdung

Die Erkenntnis, dass die Ermüdung von Bauteilen durch lokale Phänomene getrieben wird, ist vor allem bei additiv gefertigten Komponenten sehr wichtig. »Die neuen Freiheitsgrade bei der Bauteilentwicklung erfordern ein neues Bemessungskonzept, um das Potenzial 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 direkt vom Benutzer gesteuert werden können, spielt unter anderem auch die Baurichtung sowie die Auslegung erforderlicher Stützstrukturen eine erhebliche Rolle bei der Ausbildung der Werkstoffmikrostruktur und somit der lokalen Eigenschaften inklusive der Defektverteilung.

Optische Dehnungsmessung bringt neue Erkenntnisse

In den AM Fatigue Labs setzt das Team des Fraunhofer LBF unterschiedliche optische Dehnungssensoren ein, deren Messsignale über die erforderliche Echtzeitfähigkeit verfügen. So 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 zur Bauteiloptimierung genutzt werden. Darüber hinaus lassen sie sich auch zur Steigerung der Werkstoffausnutzung durch Berücksichtigung des defektorientierten Werkstoffverhaltens bereits in frühen Auslegungsphasen nutzen. »Durch die Ableitung dedizierter Bemessungskonzepte und Untersuchungsmethoden wird dabei für additiv gefertigte Komponenten eine Anwendungssicherheit geschaffen, die mit derzeitig verfügbaren Regelwerken, welche sich allesamt an klassischen Herstellungstechnologien orientieren, nicht zu erreichen ist.«, betont Dr. Wagener.

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.

Bild oben: Additiv gefertigte metallische Proben zur Charakterisierung eines Baujobs. Bildquelle: FKM Sintertechnik GmbH

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