Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Fertigungsbedingte Beanspruchungen und Kaltrisssicherheit in generativ gefertigten Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustähle

Die Verwendung hochfester Feinkornbaustähle hat für viele Anwendungen des Stahlbaus ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen mit hoher mechanischer Beanspruchbarkeit. Weitere Zugewinne an Effizienz sind durch generative Fertigungsschritte sowie bionische Bauweisen erzielbar. Hierzu stehen bereits kommerzielle hochfeste drahtförmige Zusatzwerkstoffe für formgebendes MSG-Schweißen zur Verfügung. Dem Einsatz stehen noch fehlende quantitative Aussagen zu den fertigungsbedingten Beanspruchungen und der Bauteilsicherheit während Herstellung und Betrieb im Wege. Dies betrifft insbesondere prozess- sowie materialbedingte Einflüsse und die konstruktive Schrumpfbehinderung verbunden mit der Ausbildung hoher Zugeigenspannungen und damit zusammenhängenden Kaltrissbildung.

Hierfür werden im Projekt detaillierte und anwenderbezogene Kenntnisse zu den komplexen Wechselwirkungen zwischen Schweißprozess und Wärmeführung während der Fertigung, der metallurgischen Vorgänge und insbesondere der vorliegenden konstruktiven Einflüsse auf die entstehenden Eigenspannungen erarbeitet, um ein frühzeitiges Bauteilversagen aufgrund eines hohen fertigungsbedingten Beanspruchungsniveaus bis hin zu einer Rissbildung während der Fertigung sicher zu vermeiden. Gleichzeitig werden die Einflüsse auf die mechanisch-technologischen Gütewerte systematisch analysiert. Zudem sind die Auswirkungen trennender Verfahren durch Entfernen der Substratplatte sowie durch die spanende Bearbeitung der Vorformlinge zu Endbauteilgeometrien zu klären, da diese unmittelbar den Eigenspannungszustand beeinflussen und deutlichen Verzug der Bauteile auslösen.

Ziel ist es, einen speziellen selbstbeanspruchenden Kaltrisstest für das generative Schweißen zu entwickeln sowie Verarbeitungsempfehlungen und Normenvorgaben zu erarbeiten. Dies soll insbesondere KMU eine wirtschaftliche, beanspruchungsgerechte und risssichere generative Fertigung von Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen ermöglichen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurde detailliert untersucht, wie sich die Fertigungsbedingungen auf den Beanspruchungszustand und die Kaltrisssicherheit in additiv gefertigten Bauteilen aus hochfestem Stahl auswirken.

Es gelang die Wissensbasis zu den Eigenschaften und Beanspruchungen der hochfester AM-Stahlbauteile, die aus den komplexen Wechselwirkungen von Schweißprozess, Wärmeführung und metallurgischen Vorgängen resultiert, deutlich zu erweitern. Darüber hinaus konnten tiefgreifende Kenntnisse darüber gewonnen werden wie sich konstruktive Einflüssen und trennende Fertigungsschritte auf den Beanspruchungszustand und Bauteilverzug auswirken. Zahlreiche signifikanten Effekte und Interaktionen konnten nachgewiesen und in darauf basierenden Handlungsempfehlungen integriert werden. Ebenso konnte bestätigt werden, dass sich eine Wärmenachbehandlung positiv auf den Beanspruchungszustand auswirkt.

Auf der Grundlage der Ergebnisse ließen sich optimale Fertigungsstrategien, -parameter und adaptierte Wärmeführungskonzepte zur Reduzierung fertigungsbedingter Beanspruchungen insbesondere für die speziellen Gefüge und Eigenschaften hochfester Stähle ableiten. Darauf aufbauend konnten letztlich Handlungs- bzw. Verarbeitungsempfehlungen sowie Anpassungsvorschläge für die aktuelle Normungsarbeit im Bereich additiver Fertigung erarbeiten werden. Es bleibt festzuhalten, dass das Vorhaben letztlich insbesondere für KMU wesentliche Informationen zur Verfügung stellt, die eine wichtige Voraussetzung für ein hochwirtschaftliche, beanspruchungsgerechte und risssichere additive Fertigung von Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen darstellen.