Forschende des Fraunhofer IWM haben eine Berechnungsmethode entwickelt, mit der sich die Oberflächenbehandlung von 3D-gedruckten Metallbauteilen gezielt planen lässt. Das Verfahren soll die Lebensdauer der Bauteile erhöhen und ihren Einsatz in der Luftfahrt und anderen sicherheitskritischen Bereichen erleichtern.
Bild: Fraunhofer IWM/Kai Wudtke
Additiv gefertigte Metallbauteile bieten große Freiheiten bei der Konstruktion und werden deshalb auch für die Luftfahrt immer interessanter. Bislang war ihr Einsatz in stark belasteten Bereichen jedoch oft eingeschränkt, weil die Bauteile schneller ermüden können als konventionell gefertigte Komponenten. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM haben nun eine Berechnungsmethode entwickelt, mit der sich mechanische Nachbehandlungen gezielt auslegen lassen. Unternehmen sollen dadurch bereits in der Entwicklungsphase abschätzen können, wie sich die Lebensdauer eines Bauteils verbessern lässt.
Damit könnte die neue Methode dazu beitragen, additiv gefertigte Metallbauteile künftig häufiger in sicherheitskritischen Anwendungen einzusetzen. Gerade in der Luftfahrt sind Bauteile während ihres Einsatzes über viele Jahre wechselnden Belastungen ausgesetzt. Eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit sind daher entscheidend.
Die neue Methode konzentriert sich auf die Oberfläche der Bauteile. Dort entstehen häufig kleinste Unebenheiten oder Materialfehler, von denen später Risse ausgehen können. Solche Risse wachsen mit jeder Belastung weiter und können im schlimmsten Fall zum Versagen eines Bauteils führen.
Um dieses Risiko zu verringern, kommen mechanische Nachbehandlungen wie Kugelstrahlen, Glätten oder Festwalzen zum Einsatz. Beim Kugelstrahlen treffen beispielsweise kleine Metall- oder Keramikkugeln mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche. Dadurch wird sie verdichtet und widerstandsfähiger. Beim Glätten oder Festwalzen wird die Oberfläche durch Druck bearbeitet, sodass Unebenheiten reduziert werden. Alle Verfahren verfolgen das Ziel, die Entstehung von Rissen zu erschweren und die Lebensdauer der Bauteile zu verlängern.
Die vom Fraunhofer IWM entwickelte Berechnungsmethode verbindet erstmals die Auswahl der passenden Nachbehandlung mit einer Vorhersage ihrer Wirkung. Zunächst wird untersucht, an welchen Stellen eines Bauteils die höchsten Belastungen auftreten. Anschließend simuliert das Modell, wie sich verschiedene Nachbehandlungen auf die Oberfläche auswirken. Abschließend berechnet das Verfahren anhand etablierter Konstruktionsrichtlinien die zu erwartende Lebensdauer des Bauteils.
In Versuchen mit den Metallwerkstoffen Aluminium, Edelstahl und Titan konnten die Forschenden die Schwingfestigkeit um bis zu 40 Prozent steigern. Schwingfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Bauteils, wiederholten Belastungen über lange Zeit standzuhalten. Nach Angaben des Fraunhofer IWM verlängerte sich die Lebensdauer der untersuchten Bauteile dabei um ein Vielfaches.
Für die Luftfahrt könnte dies die Entwicklung neuer Bauteile beschleunigen. Hersteller erhalten bereits vor aufwendigen Tests eine fundierte Einschätzung darüber, welche Nachbehandlung für ein bestimmtes Bauteil am besten geeignet ist. Dadurch lassen sich Entwicklungsaufwand und Materialeinsatz reduzieren, während gleichzeitig die Zuverlässigkeit additiv gefertigter Komponenten verbessert werden kann.