Experimentelle und numerische Methoden zum Verständnis der Schädigungsmechanismen in L-PBF gefertigten Gitterstrukturen unter Ermüdungsbeanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sebastian Münstermann; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544796565

Eine der größten Herausforderungen bei der Verwendung von AM-Materialien und Leichtbaustrukturen besteht darin, bessere Verständnis- und Entwicklungsmethoden für die Bewertung und Gestaltung von schadentoleranten Bauteilen zu erreichen. Das Projekt zielt darauf ab, das Ermüdungsverhalten von leichten Gitterstrukturen aus dem Stahl 316L zu charakterisieren, die mittels selektivem Laserschmelzen/Laser-Pulverbett-Fusion (L-PBF) hergestellt werden und in der Literatur wenig untersucht wurden. Um die Anforderungen an Ermüdungsfestigkeit und Schadentoleranz zu erfüllen, ist es notwendig, mehr Wissen über effiziente Anwendungsoptionen von AM-Stahlstrukturen zu erlangen. Das übergeordnete Ziel ist die Etablierung einer neuen Strategie zur Untersuchung von Ermüdungseigenschaften und zur Gestaltung der Mikrostruktur von AM-Stählen unter Verwendung von mechanismengestützten Multiskalen-Modellierungsansätzen. Das Verständnis der Schädigungsmechanismen und die Identifizierung des kritischsten Faktors, der die Ermüdungseigenschaften von L-PBF 316L-Gitterstrukturen kontrolliert, stehen im Fokus. Dabei wird besonders das Wettbewerbsverhältnis zwischen Mikrostrukturmerkmalen, internen Defekten, Oberflächenrauheit und Spannungsbedingungen berücksichtigt. Eine umfassende Charakterisierung der Mikrostruktur- und Defektmerkmale in den nichtrostenden Stählen L-PBF 316L wird vorgenommen, wobei besonderes Augenmerk auf den Einsatz von Methoden der virtuellen Prüfung gelegt wird, um die Digitalisierung und Rekonstruktion von Mikrostrukturmodellen für AM-Stähle zu verbessern. Das Projekt wird die erforderlichen Materialgestaltungskonzepte entwickeln und deren Anwendbarkeit für die Gestaltung von Gitterstrukturen aus L-PBF 316L demonstrieren. Eine zuverlässige und effiziente Strategie zur Untersuchung von Ermüdungsmechanismen von AM-Stählen unter komplexen Lastbedingungen soll durch die quantitative Identifizierung der individuellen Auswirkungen von Mikrostrukturmerkmalen, Defekten und Rauheiten auf die Ermüdungseigenschaften unter mehrachsiger Belastung erreicht werden. Dieser Antrag wird dies erreichen, indem in-situ-Versuche und Multiskalen-Modellierungsansätze kombiniert werden, um die vorherrschenden Faktoren zu identifizieren, die den Fortschritt der Ermüdungsschädigung bei AM-Stahlstrukturen kontrollieren. Systematische Untersuchungen werden durch die quantitative Charakterisierung von Mikrostrukturmerkmalen, Defekten und Oberflächenbedingungen mittels einer Kombination aus in-situ-Computertomographie, digitaler Volumenkorrelation und Fraktografie durchgeführt. Einblick in die Identifizierung der vorherrschenden, schadenskontrollierenden Parameter wird durch parametrische virtuelle Laborkristallplastizitätssimulationen mit systematisch veränderten Mikrostruktur-, Defekt- und Rauheitsprofilen synthetischer Mikrostrukturmodelle geboten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen