TY - THES

T1 - Einfluss der Randschicht auf die Ermüdungsfestigkeit additiv gefertigter Aluminiumbauteile

AU - Springer, Sebastian

N1 - gesperrt bis 12-03-2024

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Die additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) gewinnt zunehmend an Bedeutung bei der Fertigung von Komponenten. Ein wichtiger Faktor für die Anwendung von AM für versagenskritische Strukturbauteile ist die ausreichende Kenntnis über die Einflüsse lokaler Materialeigenschaften auf die Ermüdungsfestigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Einfluss des Oberflächenzustandes sowie der Effekt von thermischen Nachbehandlungsverfahren auf die Schwingfestigkeit von AM Aluminiumbauteilen genauer untersucht. Speziell bei geometrisch-komplexen AM-Strukturen ist eine mechanische Oberflächenbearbeitung nur bedingt möglich, wodurch eine Beurteilung der druckrauen Oberflächen maßgeblich ist. Für die Untersuchungen wurden seitens des Firmenpartners Aluminiumrundproben mittels selektivem Laserschmelzen hergestellt, wobei Prüfserien mit unterschiedlicher thermischer Nachbehandlung sowie eine weitere Serie im as-built-Zustand untersucht wurden. Des Weiteren sind von jeder Serie Proben mit polierter und mit rauer Oberfläche analysiert worden. Zur detaillierten Charakterisierung der Oberflächentopografie sowie zur Bestimmung gängiger Oberflächenkennwerte wurde die Oberfläche der as-built Proben mit einem digitalen Lichtmikroskop eingescannt. Die anschließenden Schwingversuche sind bei einem Spannungsverhältnis von R=-1, auf einer Resonanzprüfmaschine durchgeführt worden. Begleitend wurde eine umfassende Schadensanalyse der Bruchflächen mittels Lichtmikroskopie realisiert. Es zeigte sich, dass Heiß-Isostatisches Pressen (HIP) sowie eine T6-Wärmebehandlung sich positiv auf die Langzeitfestigkeit im polierten Zustand auswirken und diese um bis zu 14% bzw. 6% gegenüber dem as-built-Zustand gesteigert werden kann. Bei den Schwingversuchen mit den rauen Proben konnte eine Verringerung der Langzeitfestigkeit von rund 60% im Vergleich zu polierten Proben ermittelt werden. Zur Bewertung der Mikrokerbwirkung von rauen Oberflächen wurde ein Spannungskonzentrationsfaktor unter Berücksichtigung ausgewählter Oberflächenkenngrößen für jede Probenserie analytisch bestimmt und daraus die Reduktion der Langzeitfestigkeit abgeschätzt. Eine Validierung der evaluierten Langzeitfestigkeiten mit den Ergebnissen der Schwingversuche zeigt eine gute Übereinstimmung. Abschließend wurde die experimentell ermittelte Schwingfestigkeit mit Werten vergleichbarer Aluminiumgussproben aus der Literatur gegenübergestellt, wobei sich um rund 30% höhere Werte beim modernen AM-Verfahren im Gegensatz zur konventionellen Gusstechnologie ergeben. Zusammenfassend ist zu sagen, dass eine raue Oberfläche die Ermüdungsfestigkeit additiv hergestellter Proben deutlich verringern kann. Durch eine thermische Nachbehandlung ist es jedoch möglich die Langzeitfestigkeit wiederum zu steigern. Zur ganzheitlichen Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von AM-Bauteilen sowie des Einflusses der rauen Oberfläche ist die Berücksichtigung weiterer technologischer Einflussfaktoren und deren Wechselwirkungen im Rahmen zukünftiger Untersuchungen zu inkludieren.

AB - Die additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) gewinnt zunehmend an Bedeutung bei der Fertigung von Komponenten. Ein wichtiger Faktor für die Anwendung von AM für versagenskritische Strukturbauteile ist die ausreichende Kenntnis über die Einflüsse lokaler Materialeigenschaften auf die Ermüdungsfestigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Einfluss des Oberflächenzustandes sowie der Effekt von thermischen Nachbehandlungsverfahren auf die Schwingfestigkeit von AM Aluminiumbauteilen genauer untersucht. Speziell bei geometrisch-komplexen AM-Strukturen ist eine mechanische Oberflächenbearbeitung nur bedingt möglich, wodurch eine Beurteilung der druckrauen Oberflächen maßgeblich ist. Für die Untersuchungen wurden seitens des Firmenpartners Aluminiumrundproben mittels selektivem Laserschmelzen hergestellt, wobei Prüfserien mit unterschiedlicher thermischer Nachbehandlung sowie eine weitere Serie im as-built-Zustand untersucht wurden. Des Weiteren sind von jeder Serie Proben mit polierter und mit rauer Oberfläche analysiert worden. Zur detaillierten Charakterisierung der Oberflächentopografie sowie zur Bestimmung gängiger Oberflächenkennwerte wurde die Oberfläche der as-built Proben mit einem digitalen Lichtmikroskop eingescannt. Die anschließenden Schwingversuche sind bei einem Spannungsverhältnis von R=-1, auf einer Resonanzprüfmaschine durchgeführt worden. Begleitend wurde eine umfassende Schadensanalyse der Bruchflächen mittels Lichtmikroskopie realisiert. Es zeigte sich, dass Heiß-Isostatisches Pressen (HIP) sowie eine T6-Wärmebehandlung sich positiv auf die Langzeitfestigkeit im polierten Zustand auswirken und diese um bis zu 14% bzw. 6% gegenüber dem as-built-Zustand gesteigert werden kann. Bei den Schwingversuchen mit den rauen Proben konnte eine Verringerung der Langzeitfestigkeit von rund 60% im Vergleich zu polierten Proben ermittelt werden. Zur Bewertung der Mikrokerbwirkung von rauen Oberflächen wurde ein Spannungskonzentrationsfaktor unter Berücksichtigung ausgewählter Oberflächenkenngrößen für jede Probenserie analytisch bestimmt und daraus die Reduktion der Langzeitfestigkeit abgeschätzt. Eine Validierung der evaluierten Langzeitfestigkeiten mit den Ergebnissen der Schwingversuche zeigt eine gute Übereinstimmung. Abschließend wurde die experimentell ermittelte Schwingfestigkeit mit Werten vergleichbarer Aluminiumgussproben aus der Literatur gegenübergestellt, wobei sich um rund 30% höhere Werte beim modernen AM-Verfahren im Gegensatz zur konventionellen Gusstechnologie ergeben. Zusammenfassend ist zu sagen, dass eine raue Oberfläche die Ermüdungsfestigkeit additiv hergestellter Proben deutlich verringern kann. Durch eine thermische Nachbehandlung ist es jedoch möglich die Langzeitfestigkeit wiederum zu steigern. Zur ganzheitlichen Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von AM-Bauteilen sowie des Einflusses der rauen Oberfläche ist die Berücksichtigung weiterer technologischer Einflussfaktoren und deren Wechselwirkungen im Rahmen zukünftiger Untersuchungen zu inkludieren.

KW - Additive Fertigung

KW - Selektives Laserschmelzen

KW - Ermüdungsfestigkeit

KW - Oberflächencharakterisierung

KW - Wärmebehandlung

KW - AlSi10Mg

KW - additive manufacturing

KW - selective lasermelting

KW - fatigue

KW - surface roughness

KW - heat treatment

KW - AlSi10Mg

M3 - Masterarbeit

ER -