Optimierung der Ermüdungseigenschaften additiv gefertigter AlSi10Mg-Bauteile durch kryogene Endbearbeitung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan C. Aurich; Professor Dr. Eberhard Kerscher
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525766867

Das Laser-Strahlschmelzen (LBM) bietet als additives Fertigungsverfahren große Potentiale aufgrund hoher Gestaltungsfreiheit sowie der Möglichkeit zur Topologieoptimierung. Jedoch liegen vergleichsweise schlechte Ermüdungseigenschaften vor und die erzeugte Oberflächenqualität ist für industrielle Anwendungen unzureichend; eine zusätzliche Nachbearbeitung ist unumgänglich. Diese erhöht den Zeitbedarf sowie die Kosten, was die Vorteile des LBM relativiert und eine weitere Verbreitung des Verfahrens hemmt. Ziel des Forschungsvorhabens ist eine Verbesserung der Oberflächenqualität und der Ermüdungseigenschaften in einem Prozessschritt zu erreichen, um LBM gefertigte Bauteile hinsichtlich technischer Anforderungen zu optimieren. Eine spanende Nachbearbeitung unter Verwendung einer kryogenen Kühlung bietet das Potential, neben der Oberflächentopografie auch die mechanischen und metallurgischen Eigenschaften der Bauteile zu verbessern. Grund sind eingebrachte Randschichtmodifikationen, die zu einer Erhöhung der Härte in der Bauteilrandschicht führen. Deren Entstehung wird durch tiefkalte Temperaturen, wie sie beim Einsatz kryogener Kühlmedien erreicht werden, in Kombination mit hoher plastischer Deformation begünstigt. Die Veränderungen in der Bauteilrandschicht wirken sich positiv auf das Ermüdungsverhalten und damit auf das Einsatzverhalten der Bauteile aus. Aus dem verbesserten Einsatzverhalten und der optimierten Topologie der Oberfläche resultiert eine gesteigerte Wertschöpfung, die sich in einem einzigen Nachbearbeitungsschritt realisieren lässt. Dadurch bietet die kryogene Zerspanung das Potential, den Mehraufwand einer Nachbearbeitung zu kompensieren, wodurch das LBM-Verfahren wirtschaftlicher wird. Im Rahmen dieses Projekts wird die Nachbearbeitung LBM gefertigter AlSi10Mg-Bauteile unter Verwendung einer kryogenen Kühlung untersucht. Dadurch wird die Forschungshypothese geprüft, dass eine kryogene Kühlung die Oberflächenmorphologie und damit die Ermüdungseigenschaften LBM gefertigter Bauteile verbessert. Unter Variation der vorgelagerten Wärmebehandlung, der kryogenen Kühlstrategie, der Werkzeugeigenschaften und der Schnittparameter werden Zerspanversuche durchgeführt. Hierbei werden die Zusammenhänge zwischen den gewählten Parametern und dem resultierenden thermo-mechanischen Belastungskollektiv erfasst. Die durch die kryogene Zerspanung erzeugten Oberflächenmorphologien werden anschließend hinsichtlich ihrer Mikrostruktur untersucht. Es werden Gefügeveränderungen sowie Härte-Tiefen-Verläufe im Bezug zum jeweils variierten thermo-mechanischen Belastungskollektiv identifiziert. Die resultierenden Ermüdungseigenschaften in Abhängigkeit der erzeugten Oberflächenmorphologie werden daraufhin charakterisiert. Nach erfolgreicher Durchführung des Projekts werden durch eine abschließende ganzheitliche Prozessbetrachtung Handlungsempfehlungen abgeleitet, die eine Optimierung der Ermüdungseigenschaften additiv gefertigter AlSi10Mg-Bauteile ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen