Jahresbericht 2018

Additive Fertigung von metallischen Werkstoffen: Der Weg zur Anwendung in sicherheitskritischen Bauteilen.

Additive Fertigung metallischer Werkstoffe, Prozesscharakteristik, Schwingfestigkeitsbewertung, Metallographie

Jede neue Fertigungstechnologie stellt ihre Anwender vor neue Herausforderungen. Dies ist auch bei der additiven Fertigung (engl. additive manufacturing, AM) metallischer Werkstoffe der Fall, mit der kraftfluss- und somit leichtbauoptimierte Bauteile hergestellt werden können. AM-gefertigte Bauteile müssen insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen hohen Anforderungen hinsichtlich der statischen und zyklischen Festigkeit genügen. Experten im Fraunhofer LBF befassen sich mit dem grundlegenden Verständnis des Strukturverhaltens der Bauteile und entwickeln ein zuverlässiges Bemessungskonzept zur Lebensdauerabschätzung.

Einfluss auf die Lebensdauer von additiv gefertigten Strukturen haben unter anderem die Gefügeausprägung, die Mikrostruktur inklusive unterschiedlicher Fehlstellen und insbesondere die Oberfläche, die jeweils abhängig von den unterschiedlichen Prozessparametern sind. Diese Auswirkungen gilt es zu verstehen und zu bewerten, damit sie in zukünftigen Anwendungen gezielt eingesetzt werden können.

Das Fraunhofer LBF ist im Verbundprojekt VariKa (Vernetztes Produkt- und Produktions-Engineering am Beispiel variantenreicher, ultraleichter, metallischer Fahrzeugkarosserien) verantwortlich für die Schwingfestigkeitsbewertung der additiv gefertigten Bauteile. Diese kommen in einem skalierbaren Batterieträger für den Einsatz in Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Im Projekt wird die gesamte Entwicklungsprozesskette, ausgehend vom konzeptionellen Entwurf des Batterieträgers über eine updatefähige Produktionstechnik mit vorrichtungslosem Fügen bis hin zur Schwingfestigkeitsbewertung betrachtet und im Hinblick auf die Anforderungen der additiven Fertigung optimiert. Dabei kommt der Aluminiumwerkstoff AlSi10Mg zum Einsatz.

In einem weiteren Verbundprojekt BadgeB (Betriebsfestigkeit additiv gefertigter Bauteile) werden zyklisch beanspruchte Bauteile aus dem Nickelbasiswerkstoff Inconel^© 718 und der Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung Scalmalloy^® charakterisiert und mit Blick auf die Bereiche Pulverherstellung, additive Fertigung sowie Anwendung in der Luftfahrt und Automobilindustrie untersucht und weiterentwickelt.

Gleichzeitig können gemeinsam mit den Projektpartnern verbesserte Parameter für den Fertigungsprozess erarbeitet werden. Mit diesen kann die Fertigung auf die Anforderungen von zyklisch hoch-belasteten additiv gefertigten Bauteilen angepasst werden, damit die Beanspruchbarkeit maximiert wird und extremer Leichtbau erzielt werden kann.

Einen weiteren wichtigen Punkt stellt die Charakterisierung und Bewertung von Laserstrahlschweißverbindungen zwischen konventionell hergestellten Aluminiumhalbzeugen und additiv gefertigten Aluminiumstrukturen dar. Ohne eine solche Fügung ist die Integration von additiv gefertigten Komponenten in eine Baugruppe nicht möglich. Es muss herausgefunden werden, durch welche eventuell notwendigen Maßnahmen solche Fügungen höchsten Anforderungen mit Blick auf die Schwingfestigkeit genügen können.

Mit Hilfe des experimentell ermittelten, richtungsabhängigen Strukturverhaltens und den ermittelten zyklischen Beanspruchbarkeiten leiten Wissenschaftler im Fraunhofer LBF Modelle ab, mit denen in Finite-Elemente Analysen das Strukturverhalten berechnet und für beliebige Bauteile die Beanspruchung ermittelt werden kann. Auf Basis von dehnungsbasierten Konzepten kann letztendlich die Lebensdauer dieser neuen Bauteile abgeschätzt werden.