Referenzdaten für additiv gefertigte Werkstoffe aus Titan, Nickel und Stahl

Die additive Fertigung hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte in der Produktionsindustrie gemacht. Bauteile können schichtweise erstellt werden, was zu einzigartigen Materialeigenschaften führt. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat jetzt erstmals Referenzdaten zu additiv gefertigten Werkstoffen aus Titan, Nickel und einem nichtrostenden Stahl veröffentlicht. Mit ihnen lässt sich die Qualität und Sicherheit von Bauteilen gewährleisten und die Materialentwicklung im 3D-Druck vorantreiben.

Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik ist die Sicherheit der Materialien von hoher Bedeutung, da fehlerhafte Bauteile schwerwiegende Konsequenzen haben können. Die einzigartigen Mikrostrukturen, die durch die additive Fertigung entstehen, beeinflussen mechanische, thermische und chemische Eigenschaften eines Bauteils, wie beispielsweise seine Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit.

„Um potenzielle Risiken zu minimieren und die Qualität der 3D-gedruckten Komponenten sicherzustellen, sind verlässliche Referenzdaten unabdingbar“, so Prof. Birgit Skrotzki, Werkstoffwissenschaftlerin an der BAM. „Unsere Referenzdaten zu den elastischen Eigenschaften von additiv gefertigten Metallen stellen einen wichtigen Beitrag dar, der nicht nur die Qualität und Sicherheit dieser Bauteile gewährleistet, sondern auch Innovationen in der Materialentwicklung ermöglicht."

Charakterisierung von Metalllegierungen mittels Dynamischer Resonanz Methode

Das Team um die Wissenschaftlerinnen Dr. Birgit Rehmer und Prof. Birgit Skrotzki der Abteilung Werkstofftechnik und des Kompetenzzentrums Additive Fertigung AM@BAM hat drei Metalllegierungen mittels der Dynamischen Resonanz Methode (DRM) charakterisiert. Dabei wurde das Material mit einem periodischen mechanischen Impuls angeregt und die resultierenden Resonanzfrequenzen gemessen. Herausgefunden haben sie dabei beispielsweise, dass 3D-gedruckte Bauteile je nach Baurichtung und je nach Entnahmerichtung der Proben deutliche Unterschiede in den elastischen Eigenschaften aufweisen.

Die Richtungsabhängigkeit, die bei allen untersuchten Temperaturen auftritt, hat Auswirkung auf die Verwendung in spezifischen Anwendungen, wie etwa Turbinenschaufeln. Dies muss bei der Gestaltung von Komponenten berücksichtigt werden, bei denen die Belastungsrichtung eine Rolle spielt. Die Parameter des additiven Fertigungsprozesses beeinflussen die Eigenschaften ebenfalls. Eine geringere Pulverschichtdicke resultiert z.B. für den nichtrostenden Stahl in höheren Werten der elastischen Kennwerte.

Die umfangreichen Datensätze enthalten Informationen zu den Herstellungsverfahren und Parametern, Wärmebehandlungen, Korngröße, Probendimensionen und -gewicht zusammen mit ihren Messunsicherheiten. Sie können von Konstrukteur*innen, Prüflaboren und Forscher*innen genutzt werden, um die Leistung von additiv gefertigten Materialien zu bewerten, Qualitätsprüfungen durchzuführen und Simulationen zu verbessern. Die Referenzdaten stehen ab sofort über die Open-Data-Plattform Zenodo zur Verfügung.

Vortragsreihe: Qualitätssicherung in der additiven Metallfertigung

Neben der Entwicklung von Referenzdaten bietet die BAM regelmäßig Schulungen und Workshops zum Thema additive Fertigung an. Aktuell läuft noch bis zum 07.12. die fünfteilige digitale Vortragsreihe „Vielschichtig: Methoden für die Qualitätssicherung in der additiven Fertigung metallischer Bauteile" der BAM Akademie. Expert*innen der BAM geben dort Einblicke in Fertigungsverfahren, Qualitätsprüfung und Materialentwicklung. Interessierte können sich hier kostenlos anmelden.

Quelle und Foto: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)