Ermüdungsfestigkeitsnachweis additiv gefertigter Strukturen unter Berücksichtigung der lokal vorliegenden Beanspruchungsart und Mikrostruktur (LBM-Ermüdung)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tilmann Beck; Dr.-Ing. Bastian Blinn; Professor Dr.-Ing. Roman Teutsch
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505646807

Die additive Fertigung bzw. das pulverbettbasierte Laser-Strahlschmelzen von Metallen (LBM-Laser Beam Melting), bietet ein enormes Leichtbaupotential zur Herstellung von Strukturkomponenten, wozu ein valider Ermüdungsfestigkeitsnachweis Voraussetzung ist. Durch etablierte Nachweisführungen ist zwar eine Berücksichtigung LBM-spezifischer Aspekte (z. B. Anisotropie, „as-built“ (AB-) Oberfläche, etc.) möglich, jedoch ergeben sich hierbei deutliche Abweichungen zum realen Bauteilverhalten. Zudem sind die örtlich vorliegende Mikrostruktur und Defektcharakteristik, welche Größe, Anzahl, Lage und Art der Defekte umfasst, und die lokalen Werkstoffeigenschaften, wobei die Defekttoleranz eine besondere Rolle einnimmt, zu beachten, da diese innerhalb von LBM-Bauteilen stark variieren können und in aktuellen Nachweisführungen nicht ohne weiteres zu integrieren sind. Zudem ist eine Wechselwirkung zwischen der Beanspruchungsart mit den LBM-spezifischen Einflussgrößen zu erwarten, was ebenfalls zu berücksichtigen ist.Zentrales Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es daher, einen Ermüdungsfestigkeitsnachweis für LBM-Strukturen auf Basis bruchmechanischer und/oder örtlicher Konzepte zu erarbeiten, welcher eine Berücksichtigung der beschriebenen Einflussfaktoren ermöglicht. Dieser wird anhand mittels LBM gefertigter Proben aus AISI 316L in 3 Stufen, welche durch 3 Arbeitspakete (AP) abgebildet werden, entwickelt.In AP1 erfolgt eine Konzeption auf Basis uniaxialer Zug-/Druck-Ermüdungsversuche, in denen die Auswirkungen der AB-Oberfläche, Probenorientierung und deren Wechselwirkung auf die Ermüdungslebensdauer erarbeitet werden. Darüber hinaus erfolgt eine Analyse der aufbaurichtungsabhängigen Defekttoleranz mittels √area-Konzept und instrumentierter zyklischer Eindringprüfung (IZE) sowie eine Bewertung der vorliegenden Defektcharakteristik und Mikrostruktur. Die beobachteten Zusammenhänge werden anschließend quantifiziert und in einen ersten Ermüdungsfestigkeitsnachweis überführt.Aufbauend hierauf wird in AP2 der Einfluss gradientenbehafteter Beanspruchungszustände (Umlaufbiegung, Torsion) analysiert. Hierbei wird ferner die Wechselwirkung zwischen Beanspruchungszustand und den in AP1 berücksichtigten Einflussgrößen bewertet, wobei der Defekttoleranz besondere Bedeutung zukommt. Diese Ansätze werden in den Ermüdungsfestigkeitsnachweis eingearbeitet, welcher dann in biaxialen Ermüdungsversuchen vorvalidiert wird.Abschließend erfolgt in AP3 eine finale Validierung anhand von Ermüdungsversuchen an einer zu entwickelnden Demonstratorprobe, welche aufgrund ihrer Geometrie mehrachsige, gradientenbehaftete Beanspruchungen erfährt. Hierzu werden die Defektcharakteristik, der Oberflächenzustand, die Mikrostruktur sowie mittels IZE die lokalen Eigenschaften in den versagensrelevanten Bereichen analysiert und bewertet. Auf Basis des Ermüdungsfestigkeitsnachweises werden zudem Handlungsempfehlungen für die betriebsfeste Gestaltung von LBM-Bauteilen erarbeitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen