Wie gut halten Schweißverbindungen bei additiv gefertigten Stahl in Kombination mit gegossenem Stahl? Diese Frage stellte sich die Promovendin Juliana Posey und untersuchte das werkstofftechnische und mechanische Verhalten anhand von Proben von Volkswagen.
Inhaltsverzeichnis
1. Vergleich additive Fertigung versus Stahlguss
2. Betrachtung der Mikrostrukturen
3. Härteprüfung und Zugproben nach dem Schweißen der Stähle
Stahl additiv zu fertigen, bietet viele Vorteile, sagt Juliana Posey. Die Promovendin an der Hochschule Osnabrück und der University of Maryland Baltimore County (UMBC), USA zählt auf: „Es ist eine hervorragende Möglichkeit, um Einzelteile oder Kleinserien kosteneffizient herzustellen. Außerdem können Produkte sehr individuell angefertigt werden – beispielsweise Implantate in der Medizintechnik. Auch Reparaturen können einfacher und günstiger gestaltet werden, da nur die defekte Stelle ausgetauscht werden kann.“
Vergleich additive Fertigung versus Stahlguss
Doch darüber, wie sich additiv gefertigter Stahl in Kombination mit traditionell gefertigtem Stahl verhält, gibt es bisher nur wenige Studien. Posey untersucht daher in ihrer Promotion „Werkstofftechnisches und mechanisches Verhalten von Schweißverbindungen aus gegossenem und additiv gefertigten martensitischen Stahl“ die Eigenschaften von Proben aus gegossenem und im Laserauftragschweiß-Verfahren hergestellten Stahl.
Bild: Hochschule Osnabrück
„Mein Fokus sind dabei die Ermüdungserscheinungen des additiv gefertigten Stahls nach dem Schweißen – insbesondere die Mikrostruktur und wie sich diese durch das Schweißen verändert. Denn additiv gefertigter Stahl weist durch seine Herstellungsweise eine andere Mikrostruktur auf“, erklärt die US-Amerikanerin, die für ihre Promotion nach Deutschland gekommen ist. Die Proben, die die Promovendin für ihre Versuche benutzt hat, erstellten Schweiß-Experten aus dem Volkswagen-Werk in Osnabrück.
Betrachtung der Mikrostrukturen
Grund für die Differenz in der Mikrostruktur ist der Wärmefluss während der Produktion. Additiv gefertigter Stahl wird in einem Pulverbett hergestellt. Dieses Pulver wird mittels eines Lasers geschmolzen und so Schicht für Schicht das Bauteil aufgebaut. Dabei ist der Wärmeeinfluss sehr unterschiedlich. Daher ist auch die Mikrostruktur zunächst nicht gleichförmig. Erst durch eine anschließende Hitzebehandlung, wird sie gleichförmig und der Stahl kann verwendet werden.
Bild: Hochschule Osnabrück
Härteprüfung und Zugproben nach dem Schweißen der Stähle
Die Proben wurden verschiedenen Tests, wie beispielsweise Zugproben und Härteprüfung, unterzogen und anschließend analysiert. Dabei experimentierte Posey auch mit und ohne Schweißzusätze. „Meine Untersuchungen haben gezeigt, dass die Schweißverbindung häufig auf der Seite mit dem additiv gefertigten Stahl bricht. Das zeigt uns, dass wir den Vorgang des Schweißens anpassen müssen und additiv gefertigten Stahl nicht einfach verarbeiten können wie gegossenen Stahl. Versuche mit Schweißzusätzen haben sich jedoch als vielversprechend erwiesen. Das zusätzliche Material füllt den Schweißspalt und absorbiert Wärme, wodurch die Größe die Wärmeeinflusszone verringert wird.“
Bild: Lutz Hegmann/Hochschule Osnabrück
In einem so neuen Gebiet zu forschen ist für die Ingenieurin besonders spannend: „Durch Ergebnisse und Information in einem so unerforschten Gebiet wird man zu einer Art Spezialistin. Das war am Anfang natürlich erstmal ungewohnt. Aber ich konnte mich immer auf Unterstützung durch meine Betreuer, Prof. Dr. Javad Mola von der Hochschule Osnabrück und Dr. Marc Zupan vom der UMBC, und meine Kolleg:innen verlassen.“ Ihr Dank gilt auch dem Team von Volkswagen, das für die Proben sorgte. (eve)
