Schwingfestigkeit AM Bauteile
FVA 931 I | IGF-Nr. 01|F21794 N
Einflüsse der Versagensmechanismen von AM-Bauteilen unter zyklischer Belastung
Einleitung: Die additive Fertigung (AM) mittels Pulverbett-basiertem Laserschmelzen (PBF-LB/M) ermöglicht die Herstellung komplexer Bauteile mit hoher Designfreiheit. Jedoch stellen die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Schwingfestigkeit, eine Herausforderung dar. Dieses Forschungsprojekt untersuchte die Einflüsse der Prozessparameter auf die Ermüdungseigenschaften des Einsatzstahls 16MnCr5, um Defekte zu identifizieren, die das Versagen unter zyklischer Belastung begünstigen.
Untersuchungsmethoden: Für die Untersuchung wurden Proben unter Variation der Bauplattenauslastung, der Schichthöhe, des Pulverzustands (frisch vs. recycelt) und des Energieeintrags gefertigt. Mechanische Prüfungen umfassten Zug- und Schwingversuche, während metallographische Analysen zur Identifikation versagensauslösender Defekte durchgeführt wurden. Zusätzlich wurden Bruchflächenanalysen genutzt, um Rissinitiierung und -ausbreitung zu charakterisieren.
Ergebnisse und Diskussion: Die Untersuchungen zeigten, dass die Hauptursache für das vorzeitige Versagen „Lack of Fusion“ (LoF)-Defekte waren, die durch unzureichende Verschmelzung der Pulverschichten entstehen. Besonders bei hoher Bauplattenauslastung wurde eine verstärkte Spritzerbildung beobachtet, die zu lokalen Anbindungsfehlern führte.
Die Position im Bauraum hatte einen signifikanten Einfluss auf die Schwingfestigkeit. Proben, die sich weiter hinten in Bezug auf den Schutzgasstrom befanden, wiesen eine höhere Defektdichte auf. Die Verwendung von recyceltem Pulver führte hingegen zu einer überraschenden Verbesserung der Schwingfestigkeit im Vergleich zu frischem Pulver, was auf eine veränderte Partikelmorphologie oder eine stabilere Pulverbettqualität zurückzuführen sein könnte.
Fazit und Ausblick: Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine präzise Steuerung der Prozessparameter essenziell ist, um die Schwingfestigkeit additiv gefertigter Bauteile zu optimieren. Künftige Forschungsarbeiten sollten sich verstärkt auf die Reduzierung von LoF-Defekten konzentrieren, insbesondere durch die Verbesserung der Schmelzbadstabilität und der Schutzgasführung. Zudem eröffnet die positive Wirkung von recyceltem Pulver Potenziale für eine nachhaltigere und wirtschaftlichere AM-Produktion.
Das Vorhaben IGF-Nr. 01|F21794 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.
