Fatigue strength assessment of additively manufactured metallic structures based on a macroscale approach
Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und Habilitationsschriften › Dissertation
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Abstract
Die Schwingfestigkeit von additiv gefertigten metallischen Strukturen ist maßgeblich durch Imperfektionen beeinflusst, welche aufgrund dessen entsprechend bewertet werden müssen. Im Zuge dieser Arbeit werden wesentliche Einflussfaktoren identifiziert und deren Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit untersucht. Die universelle Anwendbarkeit ist durch Fertigung von Versuchsserien aus verschiedenen Materialien mittels selektivem Laser schmelzen gewährleistet. Durchgeführte Nachbehandlungen erfüllen den Zweck von Datenspreizung und Variation entsprechender Parameter. Schließlich wird eine neuartige Methodik zur Schwingfestigkeitsbewertung präsentiert, welche individuelle Aspekte sowie deren Interaktion berücksichtigt. Unregelmäßigkeiten im Grundmaterial werden durch polierte Versuchskörper evaluiert. Proben, die eine unbearbeitete Oberfläche aufweisen, zeigen, dass ein Zusammenwirken von Rauheitseffekten und räumlich nahen, inneren Defekten zum Versagen führt. Signifikante Eigenspannungen, welche als effektive Mittelspannung wirken, wurden am Ort der Rissinitiierung festgestellt und beeinflussen das Ermüdungsverhalten. Etablierte Auslegungsrichtlinien wurden durch experimentell bestimmte, empirische Korrelationskoeffizienten erweitert, was die Genauigkeit verbessert, sowie die Übertragung der Anwendbarkeit von konventionell zu additiv gefertigten Strukturen ermöglicht. Indem eingeführte Reduktionsfaktoren auf eine ideale, defektfreie und eigenspannungsfreie Grundmaterialfestigkeit bezogen werden, kann die Ermüdungsfestigkeit abgeschätzt werden. Die Größenverteilung versagensauslösender innerer Defekte wurde durch Bruchflächenanalyse bewertet und mittels einem Abschlagsfaktor berücksichtigt. Unterschiedliche Defektarten, zurückzuführen auf den Fertigungsprozess, werden hierbei nicht berücksichtigt, sondern alle Fehlstellen als äquivalent betrachtet. Oberflächenrauheitsmerkmale, wie Kerben, können durch den flächigen Rauheitsparameter maximale Senkentiefe sowie deren Kerbgrundradius zufriedenstellend beschrieben werden. Die Basis zur Evaluierung der benötigten Kenngrößen bilden dreidimensionale Oberflächenaufnahmen. Bestehende Konzepte, basierend auf der Spannungskonzentration und Kerbwirkung sind adaptiert worden, woraus ein entsprechender Reduktionsfaktor abgeleitet wurde. Die Koaleszenz dieser Charakteristika ist mittels einem Korrelationsexponenten abgedeckt. Der ermüdungsrelevante, makroskopische Eigenspannungszustand wurde mittels Röntgendiffraktometrie und der elaborierten Bewertung des Röntgenspektrums im Sinne eines schädigungsäquivalenten Parameters berücksichtigt. Eigenspannungen erster Ordnung überlagern sich mit Lastspannungen und wirken daher als Mittelspannung. Abschließend ist eine umfangreiche und vereinheitlichte Methodik zur Bewertung der Schwingfestigkeit bei zehn Millionen Lastwechseln, mit Anwendbarkeit hinsichtlich maschinell bearbeiteter sowie druckrauer Strukturen, entwickelt worden. Die Validierung des vorgestellten Konzeptes ist durch fünf unabhängige Testserien erfolgt. Experimentelle Daten stimmen mit den analytisch abgeschätzten Werten gut überein. Über alle Versuchsserien hinweg, initiale Serien, welche zur Ableitung der präsentierten Methodik herangezogen wurden, sowie einschließlich der Validierungsserien, ist eine konservative Abschätzung der Schwingfestigkeit von rund -8% gegeben. Die ingenieursmäßige Anwendbarkeit ist sichergestellt und trägt somit wesentlich zum Dimensionierungsprozess von additiv gefertigten Strukturen bei. Vorteilhafte Effekte sind hinsichtlich Leichtbau, der Einsparung von Ressourcen sowie aufwendigen experimentellen Untersuchungen gegeben. Weiters wird die Zuverlässigkeit von sicherheitsrelevanten Strukturbauteilen signifikant verbessert.
Details
Titel in Übersetzung | Ermüdungsfestigkeitsbewertung additiv gefertigter metallischer Strukturen auf makroskopischer Ebene |
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Originalsprache | Englisch |
Qualifikation | Dr.mont. |
Gradverleihende Hochschule | |
Betreuer/-in / Berater/-in |
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Status | Veröffentlicht - 2021 |