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Forschende des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums haben herausgefunden, wie sich kostspielige und möglicherweise irreparable Schäden an großen Metallteilen vermeiden lassen, die durch additive Fertigung hergestellt wurden und durch Restspannungen im Material verursacht werden.
Restspannungen sind eine häufige Ursache für Risse und andere Schäden in additiv gefertigten Metallkomponenten, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer dieser Bauteile beeinträchtigt. “Dies gilt für jedes 3D-Druckverfahren für Metalle, da die allgemeine Mechanik der Abscheidung bei allen AM-Verfahren ähnlich ist”, so Ritin Mathews, leitender Forscher der Studie.
Durch den Einsatz von computergestützter Modellierung identifizierte das Team um Mathews, wie große, additiv gefertigte Metallteile erhebliche Restspannungen entwickeln können. Diese Spannungen führen zur Rissbildung während des Druckvorgangs und vergrößern sich, wenn das Material abkühlt, was letztendlich die Metallstruktur schwächt und zu dauerhaften Schäden führt.
Die Forschenden konnte zeigen, dass bestimmte Anpassungen im Fertigungsprozess, wie das gezielte Hinzufügen von Stützmaterial an kritischen Punkten, die Ansammlung von Restspannungen signifikant reduzieren können. “Die Zugabe von Material in kritischen Bereichen mildert die Akkumulation von Spannungen”, so Mathews.
“Das Vorhandensein von hohen RS-Werten kann dazu führen, dass sich Risse im Bauteil bilden … was die Integrität der Komponenten beeinträchtigt und zu einer geringeren Festigkeit und Ermüdungseigenschaft führt”, schreiben Mathews und seine Mitautoren in einem Beitrag, der auf der 11. CIRP Global Web Conference (CIRPe 2023) veröffentlicht wurde.
Neben Mathews waren die Autoren Jaydeep Karandikar, Christopher Tyler und Scott Smith, alle von der ORNL-Abteilung für Fertigungswissenschaften.
Dieser Ansatz könnte die Zuverlässigkeit des 3D-Drucks in verschiedenen Industrien verbessern und einen neuen Standard für die Fertigung großer Metallteile setzen. Die Forschung, finanziert durch das Industrial Base Analysis and Sustainment Program des Verteidigungsministeriums, wurde im Manufacturing Demonstration Facility des ORNL durchgeführt, einem Zentrum, das sich der Innovation und Transformation der US-Fertigungsindustrie widmet.
