Kugelstrahltechnologie kann die Festigkeit von 3D-gedruckten Teilen um das 20-fache erhöhen

Der Spezialist für Oberflächenbehandlung FerroECOBlast hat zusammen mit dem Jožef Stefan Institut (Slowenien) und Joanneum Research (Österreich) die Auswirkungen des Kugelstrahlens auf die Dauerfestigkeit von 3D-gedruckten Metallteilen untersucht.

Die Behandlung der Oberfläche ist ein wichtiger Bestandteil des 3D-Druck-Workflows, der im Normalfall in der Post-Processing-Phase nach Abschluss des Bauprozesses stattfindet. Es gibt mittlerweile eine Reihe von verschiedenen Oberflächenbehandlungen, die jeweils auf den Prozess abgestimmt sind. So gibt es Glättungen und auch andere Verfahren, welche die Eigenschaften des gedruckten Teils verbessern soll.

Kugelstrahlen ist eine Oberflächenbehandlung, bei der mittels Schleuderrad-, Injektor- oder Druckluft-Strahlanlagen bei meist 2–7 bar kleine Strahlmittelkörner mit hoher Geschwindigkeit gegen die zu behandelnde Oberfläche (Strahlgut) geschleudert wird. Es wird häufig bei Metallteilen in kritischen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie eingesetzt. Beim Kugelstrahlen kann die mechanische Festigkeit eines Teils erhöht werden. Laut dem Fachunternehmen FerroECOBlast sind die Auswirkungen des Kugelstrahlens jedoch auf 3D-gedruckte Metallteile noch nicht umfassend erforscht worden.

Das Forschungsteam druckte mehrere Prüfkörper mit einem Laser Powder Bed Fusion 3D-Drucker. Die Prüfkörper, welche sich für die Durchführung von Zug- und Ermüdungsfestigkeitsprüfungen eignen, wurden in drei verschiedenen Legierungen 3D-gedruckt: Aluminiumlegierung (AlSi10Mg), Maraging-Stahl MS1 (DIN 1.2709) und Titanlegierung (Ti6Al4V).

Die Prüfstücke wurden von allen Staub- und Oxidrückständen gereinigt und durch Wärmebehandlungen nachbearbeitet. Außerdem wurden sie auf ihre endgültigen Abmessungen geschliffen, um die Homogenität während des gesamten Versuchs zu gewährleisten. Der letzte Vorbereitungsschritt war das Kugelstrahlen. Hierfür verwendete das Forschungsteam Stahlschrot ASH110 und Keramikschrot Z150 als Strahlmittel.

Um die Auswirkungen des Kugelstrahlens auf die Ermüdungsfestigkeit zu ermitteln, testete das Team insgesamt 60 Proben aus allen drei Legierungsmaterialien. Es zeigte sich, dass das Kugelstrahlen einen “sehr positiven Effekt” auf die dauerhafte dynamische Festigkeit der 3D-gedruckten Teile hatte.

Von den drei Materialien profitierten die Proben aus einer Titanlegierung am meisten, da die Lebensdauer der 3D-gedruckten Teile um das 20-fache verlängert wurde. Bei den MS1-Stahlproben wurde die Lebensdauer um das 15-fache verlängert, und die Proben aus einer Aluminiumlegierung zeigten Verbesserungen um das 8- bis 10-fache.

Weitere Details zu der Studie mit dem Titel “Effects of Shot Peening on the Fatigue Strength of Parts Produced by Additive Manufacturing” können hier abgerufen werden.