Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulation und experimentelle Validierung von Eigenspannungen in lasergenerierten Composite-Werkstoffen

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erhöhung der Standzeit von stark belasteten Oberflächen durch Verwendung von lasergenerierten MMC(metal-matrix-composite)-Schichten. Dabei besitzt die metallische Matrix eine hohe Duktilität und die eingebrachten keramischen Partikel eine hohe Härte. So kann die Verschleißfestigkeit erhöht werden bei gleichzeitig duktilen Eigenschaften, die das Abfangen von Spannungsspitzen ermöglichen. Es gilt, Einflussfaktoren auf thermisch-induzierte Eigenspannungen bei der Herstellung solcher Schichten zu identifizieren und experimentell zu validieren. Diese Erkenntnisse helfen KMU als Lohnfertiger MMC-Verschleißschutzschichten mit erhöhter Festigkeit herzustellen und KMU für Simulationsdienstleistungen das Portfolio zu erweitern.

Mittels FE-Simulation soll die MMC-Oberfläche hinreichend genau abgebildet werden, damit so die wesentlichen Einflussfaktoren auf den Eigenspannungszustand identifiziert werden können. Dabei fließen die mathematische Homogenisierung der Materialeigenschaften sowie die mathematische Beschreibung von Mikrostrukturen in ein Simulationsmodell ein. Die Validierung der Eigenspannungen erfolgt anhand der quantitativen Eigenspannungsbestimmung durch Neutronenbeugung sowohl in der Matrix als auch in den Hartstoffpartikeln. Untersucht werden Hartpartikel unterschiedlicher Menge, deren Verteilung anhand metallographischer Schliffe analysiert wird. Durch die Korrelation zwischen den Ergebnissen der Neutronenbeugungsmessung an den lasergenerierten Verbundwerkstoffen und den prozessbedingten Faktoren, wie den Temperaturgradienten, den Prozessparametern und Anzahl der verstärkenden Phase werden Erkenntnisse gewonnen, um die Ursachen der Eigenspannungen zu verstehen und auf diese im Prozess gezielt einwirken zu können. Somit sollen die erzielten Ergebnisse die weitere Verbreitung von lasergenerierten Schutzschichten voran treiben welche maßgeblich durch KMU durchgeführt werden. Somit können KMU von mehr Aufträgen profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine Prozessadaption für das Laserdispergieren in Cu-ETP entwickelt. Die daraus resultierenden Handlungsempfehlungen für Anwender – Wärmeableitung verlangsamen und Absorption erhöhen – können auch auf weitere Grundwerkstoffe, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit und/oder geringe Absorption für Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 µm wie Cu-ETP besitzen, übertragen werden. Für die Umsetzung sind ggf. Investitionen notwendig.

Zudem wurden umfangreiche Erkenntnisse hinsichtlich der Einflüsse auf den Eigenspannungszustand in der MMC-Schicht gewonnen. Daraus lassen sich konkrete Handlungsempfehlungen zur Adaption der Prozessparameter ableiten. Diese können unmittelbar und ohne zusätzliche Investitionen von den Anwendern umgesetzt werden. Zudem wurde gezeigt, dass die Messung der Prozesszonentemperatur eine geeignete Methode ist, um qualitative Aussagen hinsichtlich der Höhe der eingebrachten Eigenspannungen zu treffen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass durch eine zusätzliche Erwärmung (hier mittels Heizplatte) die Eigenspannungszustände in der MMC-Schicht so verändert werden können, dass eine verbesserte Stabilität der MMC-Schicht zu erwarten ist.

Das Simulationsmodell hat zu innovativen Materialmodellen geführt, die für die Eigenspannungsvorhersage in

anspruchsvollen Prozesssimulationen geeignet sind. Ein wesentlicher Vorteil der neuen thermo-mechanischen NTFA ist, dass durch den vorgeschlagenen Workflow eine Standardimplementierung möglich ist. Diese ist benutzerfreundlich und erlaubt zahlreiche Post-processing Schritte. Neben dem Laserdispergieren bestehen ausdrücklich weitere innovative Anwendungen, die Verbundmaterialien erstellen und/oder verarbeiten.