Wie wir mit Eigenspannungen in Metallzeichnungen umgehen

Eigenspannungen stellen eine der größten Herausforderungen beim 3D-Metalldruck dar. Werden sie nicht kontrolliert, verursachen sie Verformungen, Risse, eine verringerte Dauerfestigkeit und Bauteile, die die Toleranzen nicht erfüllen.

Was verursacht Eigenspannungen beim 3D-Metalldruck?

Schnelle lokale Erwärmung und Kühlung

Pulverbett- und Hochenergieverfahren schmelzen kleinste Materialmengen schnell auf. Beim Schmelzen und Wiedererstarren entstehen steile Temperaturgradienten zwischen der heißen Schmelzzone und dem kühleren Nachbarmaterial. Diese Gradienten führen zu ungleichmäßiger Wärmeausdehnung und -kontraktion; durch das umgebende feste Material bedingt, entstehen dadurch Spannungen.

Schichtablagerung und Einschränkung

Jede neue Schicht verschmilzt mit dem bereits erstarrten Material. Kühlt die neue Schicht ab und möchte schrumpfen, wird aber durch darunterliegende Schichten oder Stützstrukturen daran gehindert, entstehen Zugspannungen. Über viele Schichten summieren sich diese und können zu Verformungen außerhalb der Ebene oder zu Rissen führen.

Phasenumwandlungen und Mikrostrukturänderungen

Manche Legierungen durchlaufen beim Abkühlen Phasenübergänge, wie beispielsweise martensitische Umwandlungen in Stählen, die mit Volumenänderungen einhergehen und Spannungen erzeugen oder verstärken können. Wärmebeeinflusste Gefügegradienten über die Bauteildicke führen ebenfalls zu Fehlanpassungsspannungen.

Geometrie und Randbedingungen

Scharfe Querschnittsänderungen, Übergänge von dünnen zu dicken Wandstärken, lange Kragarme und ungestützte Überhänge konzentrieren Spannungen. Die Ausrichtung des Bauteils und die Anordnung der Stützen bedingen mechanische Einschränkungen, die die Spannungsverteilung beeinflussen.

Prozessparameter und Scanstrategie

Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Linienabstand, Vektorlänge und Bahnmuster steuern Wärmeeintrag und -verteilung. Bestimmte Scanstrategien führen zu Hotspots oder langgestreckten Temperaturgradienten und damit zu höheren Eigenspannungen.

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Wie wir Restspannungen messen

1. Zerstörende Methoden

• Konturverfahren: Das Bauteil wird ausgeschnitten und die Verformung der Schnittflächen gemessen, um das ursprüngliche Spannungsfeld zu rekonstruieren. Es liefert hochpräzise Vollfeldkarten, zerstört aber das Bauteil.

• Lochbohren und schrittweises Schlitzen: Material wird lokal abgetragen und die Spannungsrelaxation mit Dehnungsmessstreifen gemessen. Halbdestruktives Verfahren, geeignet für Stichproben.

2. Zerstörungsfreie Beugungstechniken

• Röntgenbeugung (XRD): misst Gitterabstandsänderungen aufgrund elastischer Spannungen an und nahe der Oberfläche.

• Neutronenbeugung: dringt tief ein und kann Spannungen im Untergrund auch in dicken Schichten messen, erfordert jedoch spezielle Anlagen.

Diese Beugungsmethoden sind quantitativ, jedoch durch Zugangsbeschränkungen, Geometrie der Probe und Auflösungsgrenzen limitiert.

3. Ultraschall- und akustische Verfahren

Ultraschallwellengeschwindigkeiten und akustoelastische Messungen können in einigen Fällen zerstörungsfrei auf Spannungszustände schließen; praktisch für größere Strukturen und als Indikator für den laufenden Prozess.

4. Prozessbegleitende und indirekte Überwachung

Schmelzbadthermografie, Pyrometrie und Hochgeschwindigkeitsbildgebung messen die Spannung nicht direkt, liefern aber thermische Verlaufsdaten, die stark mit dem Spannungsaufbau korrelieren. In Kombination mit Modellen ermöglichen sie die Prozesssteuerung zur Reduzierung der Spannungsbildung.

Konstruktionsstrategien zur Reduzierung von Eigenspannungen

• Ausrichtung der Bauteile. Bauteile so ausrichten, dass ungestützte Überhänge und lange Auskragungen minimiert werden; kritische Bauteile möglichst nahe an der Grundplatte platzieren. Kürzere ungestützte Spannweiten reduzieren die Biegemomente während der Abkühlung.

• Geometrieglättung und Verrundungen. Abrupte Querschnittsänderungen sollten durch sanfte Übergänge und Verrundungen ersetzt werden, um geometrische Spannungskonzentrationen zu vermeiden. Dick-zu-Dünn-Übergänge sollten, wo die Funktion es zulässt, geglättet werden.

• Gleichmäßige Wandstärke. Wo möglich, sollte die Wandstärke gleichmäßig sein oder gestufte Übergänge verwendet werden. Starke Änderungen der Wandstärke führen zu großen Temperaturgradienten.

• Aufteilen und zusammenfügen. Bei sehr großen oder dünnen Bauteilen sollte das Teil aus mehreren kleineren Komponenten zusammengesetzt werden, die nach dem Spannungsabbau zusammengefügt werden. Dadurch wird vermieden, dass eine einzelne, lange Struktur gedruckt wird, die sich verzieht.

• Die Stützkonstruktion dient als thermischer und mechanischer Schutzmechanismus. Sie hält nicht nur die Geometrie, sondern leitet auch Wärme ab und stabilisiert Bereiche mit hoher Belastung. Wärmebrücken tragen zur Reduzierung lokaler Temperaturgradienten bei.

• Topologie und Gitteranordnung. Durch den Einsatz von Gittern lässt sich die Masse reduzieren und gleichzeitig lange, ungestützte Spannweiten vermeiden. Gitter oder Rippen können als thermische Puffer zur Glättung von Temperaturgradienten eingesetzt werden.

• Toleranz und Bearbeitungsaufmaß. Zusätzliches Material für die Nachbearbeitung einplanen. Dies gleicht Verformungen aus und ermöglicht das Entfernen beanspruchter Oberflächen.

• Wählen Sie Prozess und Material unter Berücksichtigung des Spannungsverhaltens. Prozesse mit Vorwärmung oder niedrigeren Abkühlraten führen tendenziell zu geringeren Eigenspannungen bei vergleichbaren Geometrien. Einige Legierungen sind zudem weniger anfällig für umwandlungsbedingte Spannungen.

Methoden zur thermischen und mechanischen Spannungsentlastung nach dem Bau

Spannungsarmglühen

Eine kontrollierte Erwärmung auf eine mittlere Temperatur wird gehalten, um Kriechspannungen zu lösen, gefolgt von einer kontrollierten Abkühlung. Dies ist der gängigste und wirtschaftlichste erste Schritt zur Reduzierung von Eigenspannungen.

Heißisostatisches Pressen (HIP)

Beim Heißisostatischen Pressen (HIP) werden gleichzeitig hohe Temperatur und isostatischer Druck angewendet, um innere Porosität zu schließen und innere Spannungen zu reduzieren. Dadurch kann die Dauerfestigkeit deutlich verbessert und ein Teil der Eigenspannungen abgebaut werden, obwohl eine abschließende Bearbeitung unter Umständen noch erforderlich ist.

Lösung + Alterung oder maßgeschneiderte Härtung

Bei ausscheidungshärtenden Legierungen werden vollständige Wärmebehandlungszyklen angewendet, um das gewünschte Mikrogefüge zu erreichen und Umwandlungsspannungen abzubauen.

Oberflächenmechanische Behandlungen

• Durch Kugelstrahlen und Kugelstrahlen werden Druckspannungen an der Oberfläche erzeugt, die die Dauerfestigkeit deutlich verbessern.

• Das Laser-Shock-Peening (LSP) erzeugt tiefere Druckschichten mit geringerer Oberflächenaufrauung und ist besonders vielversprechend für AM-Bauteile, die Druckspannungsprofile unter der Oberfläche benötigen.

Vibrationsstressabbau

Wird gelegentlich für große Bauteile eingesetzt, ist die Effektivität variabel und in der Regel geringer als bei thermischen Verfahren, kann aber für kleine Justierungen praktikabel sein.

Häufige Probleme und deren Behebung

Problem: Verformung des Bauteils nach dem Abnehmen von der Bauplatte.

Abhilfemaßnahmen: Verbesserung der Stützkonstruktion und Hinzufügen von Wärmebrücken; Vorwärmen des Substrats; Änderung der Bauausrichtung zur Reduzierung von Auskragungen; Durchführung einer Spannungsarmglühung vor der Endbearbeitung.

Problem: Rissbildung während des Bauprozesses (Heißrisse oder Kaltrisse).

Abhilfemaßnahmen: Legierungszusammensetzung modifizieren oder nach Möglichkeit ein rissbeständigeres Material wählen; maximale thermische Gradienten reduzieren, Zwischenschicht-Haltezeit anwenden, Scanstrategie optimieren, um lange kontinuierliche Vektoren zu vermeiden.

Problem: Schlechte Dauerfestigkeit.

Abhilfemaßnahmen: Durch HIP wird die innere Porosität reduziert, anschließend durch Kugelstrahlen oder LSP werden Druckspannungen an der Oberfläche erzeugt; Spannungsarmglühen und die erforderlichen Wärmebehandlungen für die Legierung werden sichergestellt.

Problem: Verzerrungen in dünnen Strukturen oder dünnen Wänden.

Abhilfemaßnahmen: Wo möglich, können Abschnitte verdickt, während des Druckvorgangs Hilfsrippen oder Stützrippen zur Versteifung der Geometrie hinzugefügt oder das Bauteil in mehrere gedruckte Teile aufgeteilt und nach dem Glühen zusammengefügt werden.

Problem: Oberflächenzugspannungen, die zu frühzeitigen Ermüdungsrissen führen.

Abhilfemaßnahmen: Zugspannungsbeaufschlagte Oberflächenschichten durch maschinelle Bearbeitung entfernen oder druckbeaufschlagte Oberflächenbehandlungen in Kombination mit einem Glühprozess durchführen.

Problem: Inkonsistente Ergebnisse zwischen den Builds.

Abhilfemaßnahmen: Verbesserung der Prozesssteuerung und -überwachung; Kalibrierung der Scanstrategie; Nutzung von Simulationen zur Identifizierung sensitiver Parameter und Hinzufügen von Prozessfenstern; Sicherstellung eines gleichbleibenden Pulverzustands und einer gleichmäßigen Vorwärmung.