Neuer Lebensdauer-Checker Innovatives Zugmodul prüft in situ zyklisch belastete Bauteile

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IFW Produktionstechnisches Zentrum der Leibniz Universität Hannover / PZH

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Eigenspannungen gezielt messen, um Bauteillebensdauern zuverlässig zu bestimmen, ist essentiell. Damit das besser klappt, hat das IFW ein neues in situ Zugmodul für additiv gefertigte Teile entwickelt ...

Die Lebensdauer von Bauteilen wird nachweislich durch die Eigengspannungen bestimmt. Während Zugeigenspannungen die Lebensdauer eines Bauteils durch ihre Risse fördernde Wirkung deutlich verkürzen, lassen sich durch gezielt eingebrachte Druckeigenspannungen die Ermüdungsfestigkeit und damit die Lebensdauer erhöhen. Insbesondere bei Schweißprozessen entstehen durch die prozesstypischen lokalen Erwärmungen und ungleichmäßige Abkühlung hohe Zugeigenspannungen [1]. Diese überlagern sich mit oberflächennahen Eigenspannungen, die aus den weiteren Bearbeitungsschritten wie Drehen oder Fräsen entstehen [2]. Dagegen wirken Druckeigenspannungen der Rissentstehung entgegen. Für eine die Lebensdauer fördernde Wirkung ist allerdings entscheidend, wie stabil die Eigenspannungen unter zyklischer Belastung während des Einsatzes sind. Denn Eigenspannungen sind in der Wechselwirkung mit externer Belastung keine statische Größe [3]. Thermische und mechanische Belastungen, die im Einsatz der Bauteile auftreten, haben einen Einfluss auf die Eigenspannungen – insbesondere auf den Abbau der Eigenspannungen.

Bei 3D-gedruckten Metallteilen klaffen Wissenslücken

Die Stabilität der Eigenspannung hängt zudem vom Werkstoff sowie von der Art und Höhe der Belastung ab. Bei Werkstoffen mit hoher Zugfestigkeit kommt es vor allem im ersten Lastzyklus – abhängig von der anliegenden Last – zu einem erheblichen Eigenspannungsabbau [4]. Es wurde etwa ein Abbau der Eigenspannungen bis 50 % in den ersten Lastzyklen beobachtet. Damit verändert sich auch die Ausgangssituation für alle nachfolgenden Belastungszyklen [5]. Es liegt kein allgemeingültiges Gesetz vor, um die Höhe des Eigenspannungsabbaus vorherzusagen. Ein Verständnis für die Stabilität unter Belastung ist deshalb notwendig, um einen sicheren Einsatz von Bauteilen zu gewährleisten. Das gilt auch für Bauteile, die mithilfe der additiven Fertigung hergestellt wurden. Die Herausforderung besteht darin, den Eigenspannungsabbau bei additiv gefertigten Bauteilen über die verschiedenen Fertigungsverfahren und in Wechselwirkung mit der subtraktiven Endbearbeitung zu verstehen. Bislang ist aber noch völlig unbekannt, inwiefern oberflächennahe Druckeigenspannungen in additiv gefertigten Bauteilen unter mechanischer Belastung stabil bleiben. Um die Auswirkung von mechanischer Belastung auf die Eigenspannungen zu verstehen, wurde ein spezielles in situ Zugmodul am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover entwickelt. Damit werden nun die Wirkzusammenhänge zwischen anliegenden Lastspannungen und Eigenspannungen untersucht.

So werden Eigenspannungen korrekt gemessen

Eigenspannungen beschreiben die im Bauteil vorliegende Spannung, wenn keine externe Belastung wie Temperaturunterschiede im Bauteil oder eine Kraft einwirkt. Eigenspannungen werden mittels zerstörender und zerstörungsfreier Messverfahren erfassbar. Nur zerstörungsfreie Messverfahren sind aber für die wiederholte Erfassung der Eigenspannung nach zyklischer Belastung geeignet. Eine präzise und zerstörungsfreie Erfassung der oberflächennahen Eigenspannung wird etwa durch die röntgenographischen Messungen ermöglicht. Dabei werden die Proben mit Röntgenstrahlung untersucht. Die Röntgendiffraktometrie ermöglicht dann die präzise Bestimmung der Phasenzusammensetzung einer Probe und die phasenaufgelöste Eigenspannungsbestimmung. Zur Eigenspannungsbestimmung werden die Dehnung beziehungsweise die Stauchung des Kristallgitters auf atomarer Ebene aufgelöst [6].

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