Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMAdditive Fertigung (AM) eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung hochbelasteter metallischer Bauteile und komplexer Geometrien – insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen (KMU). Eine zentrale Herausforderung liegt jedoch in der unzureichenden Oberflächenqualität additiv gefertigter Bauteile, die deren Ermüdungsfestigkeit stark einschränkt. Im Forschungsprojekt »AM Oberfläche« wurde gezielt untersucht, wie mechanische Nachbehandlungsverfahren –wie Kugelstrahlen, Festwalzen und Glätten – zur gezielten Verbesserung der Bauteileigenschaften beitragen können. Die entwickelten Methoden und Erkenntnisse ebnen den Weg für eine breitere industrielle Anwendung additiver Fertigung auch in sicherheitsrelevanten Bereichen.
AM Oberfläche: Mechanische Oberflächennachbehandlung additiv gefertigter, metallischer Komponenten zur gezielten Steigerung der Ermüdungsfestigkeit
Abgeschlossenes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Die additive Fertigung (AM) gewinnt zunehmend an Bedeutung für die Herstellung hochbelasteter metallischer Bauteile, da sie eine effiziente Fertigung komplexer Geometrien unter Vermeidung hoher Zerspanungsgrade ermöglicht. Neben der geometrischen Freiheit bietet AM vor allem für KMU großes Innovationspotenzial – insbesondere durch die Möglichkeit, individuelle Bauteile ohne teure Werkzeuge schnell und ressourceneffizient zu fertigen. Trotz akzeptabler Festigkeitswerte weisen AM-Bauteile jedoch im unbehandelten Zustand oft eine unzureichende Oberflächenqualität auf. Oberflächennahe Defekte wirken als Rissstarter und führen zu einem vorzeitigen Ausfall des Bauteils.
Mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren wie das Kugelstrahlen, Festwalzen und Glätten bieten durch die Einbringung von Druckeigenspannungen in die Randzone eines Werkstücks sowie die Verdichtung und Glättung der Randschicht ein enormes Potential, um die Ermüdungsfestigkeit additiv gefertigter Bauteile zu steigern. Während wenige Untersuchungen zum Kugelstrahlen von AM-Bauteilen existieren, wurde die Wirkung des Festwalzens und Glättens zur gezielten Steigerung der Ermüdungsfestigkeit bisher noch nicht systematisch erforscht.
Im Projekt »AM Oberfläche« wurde gezeigt, dass sich durch Oberflächennachbehandlung gezielt Oberflächen verdichten und Eigenspannungen einbringen lassen, wodurch sich die Bauteileigenschaften verbessern und die Lebensdauer deutlich steigern lassen. Neben experimentellen Untersuchungen lag ein weiterer Schwerpunkt auf der Entwicklung KMU-gerechter Berechnungs- und Auslegungsverfahren. Es wurde eine einfach handhabbare Prozedur zu Bauteilauslegung auf Basis der weit verbreiteten FKM-Richtlinien in Abhängigkeit der Prozessparameter der Nachbehandlungsverfahren entwickelt.
Teilvorhaben Fraunhofer IWM
- Systematische Untersuchung der Auswirkungen des Festwalzens auf die Eigenspannungsverteilung in AM-Bauteilen
- Experimentelle Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit in Abhängigkeit der Nachbehandlungsparameter
- Entwicklung und Validierung eines Berechnungs- und Auslegungsverfahrens zur Vorhersage der Bauteillebensdauer unter Berücksichtigung der Nachbehandlungsprozesse auf Basis der weit verbreiteten FKM-Richtlinien
- Ableitung praxisnaher Bewertungsrichtlinien für die industrielle Anwendung
Transfer der Projektergebnisse in FuE-Leistungen des Fraunhofer IWM
- gezielte Steigerung der Ermüdungsfestigkeit hochbelasteter AM-Bauteile durch eine maßgeschneiderte Oberflächenbehandlung (auch für höchstbelastete und sicherheitsrelevante Bauteile)
- KMU-gerechte Auslegungs- und Bewertungsmethoden zur optimierten Durchführung der Oberflächenbehandlung und zur präzisen Lebensdauerbewertung auf Basis der weit verbreiteten FKM-Richtlinien
- Numerische Simulation und Lebensdauerbewertung von mechanisch nachbehandelten AM-Komponenten
- Experimentelle Charakterisierung und Qualitätssicherung nachbehandelter AM-Bauteile – z. B. über Eigenspannungsanalysen und Mikrostrukturuntersuchungen
- Beratung und Unterstützung bei der Einführung von Nachbehandlungsprozessen in KMU, einschließlich Prozessoptimierung und Parameterstudien
Förderhinweis
