Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Charakterisierung und Modellierung der Mehrfachumwandlungen in Werkzeugstählen bei additiven Verfahren

Zentrale Herausforderungen der additiven Fertigung liegen in der Ermittlung geeigneter Prozessfenster und Bearbeitungsstrategien, um geforderte Bauteileigenschaften sicherzustellen. Aktuell werden Parameter für jeden Werkstoff sowie in Abhängigkeit der darzustellenden Geometrien experimentell ermittelt und die Produkte anschließend aufwendig charakterisiert. Dies stellt einen großen Kostenfaktor dar, da Prozesse oft Stunden dauern und die Produktivität erheblich einschränken. Bisherige Vorhersagemodelle resultierender Eigenschaften versagten insbesondere an umwandelnden Werkstoffen, beispielsweise Werkzeugstählen. Fehlerhafte Berechnungen aus iterativen Prozessen resultierender Phasenanteile, Eigenspannungen und Dehnungen sind darauf zurückzuführen, dass Materialdaten stets auf einem gewissen Ausgangszustand basieren, der allerdings höchstens beim ersten Temperaturzyklus vorliegt. Anhand des Laserauftragschweißens sollen durch experimentelle Charakterisierungen und insbesondere mithilfe zeit- und ortsaufgelöster in-situ Röntgenbeugungsuntersuchungen transiente und resultierende Werkstoffzustände während und nach dem Prozess untersucht werden. Die Erkenntnisse dienen der Modellentwicklung, um die den jeweiligen Bearbeitungszyklen zugrundeliegenden Ausgangszustände und deren Einfluss auf nachfolgende Zyklen zu berücksichtigen. Damit wird eine Berechnung auftretender Mehrfachumwandlungen zugänglich, wie sie typisch für iterative und additive Verfahren sind. Vorhersagen von Gefügeanteilen, Eigenspannungen und Dehnungen werden durch Kenntnis der in jedem Schritt eingestellten Ausgangsgefüge sowie der Umwandlungskinetik erheblich präzisiert. Entwicklungszyklen können somit deutlich verkürzt werden, wodurch die Wettbewerbsfähigkeit der Anwender deutlich gesteigert wird. Durch enge Zusammenarbeit von Forschungsstellen und Unternehmen der Modellierung, Werkstoff- und Schweißtechnik soll das Vorhaben maximale Nutzbarkeit und Verbreitung der Erkenntnisse gewährleisten.

Ergebniszusammenfassung:

Die Additive Fertigung mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen ist charakterisiert durch einen zyklischen Wärmeeintrag durch den Aufbau der einzelnen Lagen und der darauffolgenden Abschreckung durch Wärmeaustrag über den Grundkörper. Bei der Additiven Fertigung von martensitisch härtbaren Stählen kann die zyklische Erwärmung und Abschreckung zur Mehrfachumwandlung zwischen Austenit und Martensit und zu deutlichen Anlasseffekten des Martensits führen. In Abhängigkeit der Prozessparameter kommt es zu erheblichen Gefüge- und damit Härtegradienten innerhalb eines Bauteils. Für den Warmarbeitsstahl X40CrMoV5-1 wurde das resultierende Gefüge nach dem Laser-Pulver-Auftragschweißen experimentell untersucht, unter anderem mit in-situ Untersuchungen am DESY mittels Synchrotronstrahlung, und Rückschlüsse auf die Bildungsmechanismen gezogen. Darauf aufbauend wurde ein Modell für die zyklische Umwandlung zwischen Austenit und Martensit und der Anlasseffekte des Martensits entwickelt. Dieses Modell wurde in ein FE-Programm zur Simulation der Additiven Fertigung integriert. Damit wurden einfache Modellbauteile simuliert und mit experimentellen Ergebnissen bzgl. der Härteverteilung verglichen.

Durch das auf inkrementelle Prozesse angepasste Werkstoffmodell wird im ersten Schritt den Software-Herstellern sowie den direkten Anwendern von Simulationstools die Möglichkeit geboten, die Schweißsimulation auch dem sich im Entstehen begriffenen Markt der additiven Fertigung zu öffnen. Andererseits wird die Vorhersage bzw. das gezielte Einstellen der Materialeigenschaften in Beschichtungs- und additiven Fertigungsprozessen a priori möglich. Die so angepasste FE-Simulation erlaubt die Bewertung vorhandener Prozessführungen und deren Optimierung, so dass der experimentelle Aufwand für die Einstellung der Prozessgrößen gesenkt werden kann. Aber auch ein prinzipielles Verständnis der werkstofftechnischen Vorgänge ermöglicht eine Optimierung bzw. Weiterentwicklung der additiven Verfahren.