Charakterisierung und Modellierung der Ermüdungseigenschaften auf der mikro-makro Skala von hybrid-geschweißten AlSi10Mg Komponenten hergestellt über selektives Laserschmelzen und Gießen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Ghazal Moeini; Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450156756

Innovative Leichtbaukonzepte erfordern das Zusammenspiel von optimierter Bauteilgestaltung, angepassten Fertigungsverfahren und eine geeignete Materialauswahl. Das selektive Laserschmelzen (SLM) bietet als additives Fertigungsverfahren den Vorteil einer werkzeuglosen Fertigung nahezu ohne Einschränkungen hinsichtlich der Strukturkomplexität. Eine wesentliche Einschränkung für die Anwendung des SLM als industriellem Herstellungsverfahren ist jedoch die begrenzte Größe der Produkte. Die anhaltende Forderung nach Überwindung der Bauteilgrößenbeschränkung führt zur Notwendigkeit, die Schweißbarkeit von SLM Komponenten an konventionell hergestellten Komponenten in Baugruppen zu untersuchen. Insbesondere das Rührreibschweißen (FSW) wird bereits vielfach eingesetzt um die üblichen Erstarrungsprobleme der Schmelzschweißverfahren zu vermeiden. Mit Blick auf das anvisierte Projekt fehlt bislang jedoch eine quantitative Beschreibung des Einflusses einer inhomogenen Mikrostruktur und gleichzeitig auftretender Porosität auf die Variabilität des Ermüdungsverhaltens nach dem Reibrührschweißen. Dies macht es unmöglich den Sicherheitsfaktor für zyklische Belastungsbedingungen zu spezifizieren, der für viele industrielle Anwendungen entscheidend ist. Mit Blick auf eine möglichst schnelle Erreichung von verschiedenen Anwendungszielen muss die Entwicklung und Optimierung von SLM-Schweißverbindungen durch Simulationen unterstützt werden, wobei die mikrostrukturelle Heterogenität lokaler Bereiche der Schweißteilverbindung berücksichtigt werden muss.Das Hauptziel des vorgeschlagenen Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines mikrostruktur- und defektsensitiven Berechnungsschemas zur Vorhersage des Ermüdungsverhaltens von durch SLM und Gussverfahren hergestellten Reibrührschweißungen unter Berücksichtigung der mikrostrukturellen Eigenschaften aller Bereiche in der Schweißverbindung, d.h. von Anisotropie, chemischer Zusammensetzung, Phasenanteilen und Unregelmäßigkeiten (z.B. Porosität). Proben aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg, die über SLM- und Gießen hergestellt werden, werden eingehend untersucht. Das Reibrührschweißen wird zur Herstellung entsprechender Hybridbauteile eingesetzt.Umfassende mechanische und mikrostrukturelle Charakterisierungen werden an den SLM- und den gegossenen AlSi10Mg-Bauteilen sowie an deren Reibrührschweißverbindungen durchgeführt. Die Werkstoffcharakterisierung liefert den notwendigen Input für die Entwicklung einer mikrostruktur- und defektsensitiven Ermüdungssimulation der Hybridschweißverbindung. Die mikrostruktur- und defektsensitive Ermüdungssimulation wird auf der Grundlage der realen Mikrostruktur lokaler Bereiche der Schweißverbindung durchgeführt. Letztendlich wird der Einfluss mikrostruktureller Charakteristika auf die lokalen mechanischen Eigenschaften, insbesondere das Ermüdungsverhalten, von SLM-Bauteilen und die Hybridschweißverbindung über das Modell beschrieben und mit den Experimenten validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen