Experimentelle und numerische Untersuchung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens von Eigenspannungsmodifizierten additiv gefertigten Aluminium-Proben

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Benjamin Klusemann
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459713992

Die additive Fertigung eröffnet neue Möglichkeiten zur Herstellung endkonturnaher Strukturen. Während die additive Fertigung stetig weiterentwickelt wird und immer mehr Werkstoffe Einzug in die vorhandenen Herstellungsverfahren erhalten, ist das Wissen über den Einfluss von Mikrostruktur und Eigenspannungen auf das Ermüdungsverhalten additiv gefertigter Bauteile vergleichsweise gering. Im Rahmen dieses Projektes werden eigenspannungsmodifizierte Proben aus einer Al-Mg-Legierungen mittels draht-basiertem Laserauftragschweißen (LMD) hergestellt und im Hinblick auf das resultierende Ermüdungsrissausbreitungsverhalten untersucht. Im Vergleich zu pulver-basierten additiven Fertigungsverfahren ermöglicht das draht-basierte LMD vergleichsweise hohe Auftragsraten. Die dafür notwendigen Energieeinträge während des Prozesses sind jedoch ebenfalls deutlich erhöht und begünstigen daher die Entwicklung von hohen Temperaturgradienten und Eigenspannungen sowie einer grobkörnigen Mikrostruktur. Verfahren wie das Laser-Shock-Peening (LSP) ermöglichen das lokale Modifizieren und Einbringen von Eigenspannungen mit dem Ziel die mechanischen Bauteileigenschaften zu verbessern. Neben der Eigenspannungsmodifikation kann LSP auch einen Einfluss auf die ausgebildete Mikrostruktur haben, welcher insbesondere für additiv gefertigte Strukturen Gegenstand aktueller Forschung ist. Im Fokus dieses Projektes steht daher die Frage nach dem Einfluss der initialen sowie modifizierter Mikrostrukturen und Eigenspannungen in additiv gefertigten Proben hinsichtlich des resultierenden Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens. Um diese Frage ganzheitlich beantworten zu können, wird ein gekoppelter experimentell-numerischer Ansatz verfolgt. Hierzu werden zunächst Strukturen aus AA5087 mittels draht-basiertem LMD hergestellt, nachbearbeitet und im Hinblick auf Mikrostruktur und Eigenspannungen charakterisiert. Mittels sehr unterschiedlicher Prozessparameter werden Strukturen mit zwei stark unterschiedlichen Mikrostrukturen erzeugt, deren Einfluss auf die Ermüdungseigenschaften experimentell untersucht wird. Um den Einfluss der Eigenspannung besser zu verstehen, werden auch LSP-behandelte Proben geprüft. Neben der Untersuchung der Eigenspannungsmodifikation mittels LSP, welche zu einer Verbesserung der Ermüdungsrissausbreitungseigenschaften führen soll, wird hierbei auch die Frage nach deren Einfluss auf mögliche Mikrostrukturänderungen in additiven Strukturen beantwortet. Numerische Prozesssimulationen des LMD- und LSP-Prozesses werden in einer mehrstufigen Simulationsstrategie miteinander kombiniert um den Ermüdungsrissfortschritt vorherzusagen und hierbei die Wichtigkeit der Mikrostruktur und Eigenspannungen zu klären. Die kombinierten experimentellen-numerischen Erkenntnisse werden dazu beitragen den Einfluss von Mikrostruktur und Eigenspannungen in additiven Strukturen auf das Ermüdungsverhalten quantifizieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Josephin Enz; Privatdozent Dr.-Ing. Nikolai Kashaev