Eigenspannungen und Verzug an Blechgrundkörpern mit additivem Element. Eine experimentelle Untersuchung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Stand der Technik
2.1 Grundlagen der Biegeumformung
2.1.1 Freies Biegen
2.1.2 Theorien zur Berechnung der Biegung
2.1.3 Einflussund Storgroften
2.1.4 Laserstrahlbiegen
2.2 Additive Fertigung mittels Laserstrahlschmelzen
2.3 Titan und Titanlegierungen
2.3.1 Metallkundliche Grundlagen von Titan:
2.3.2 Metallkundliche Grundlagen von Titanlegierungen (TiAl6V4):
2.4 Methoden zur Bestimmung von Eigenspannungen

3 Aufgabenstellung und Zielsetzung

4 Genutzte Anlagen, Software und Werkstoffe
4.1 Anlagen und Software
4.2 Werkstoffe / Chemikalien

5 Versuchsaufbau und -durchfuhrung:
5.1 Allgemeine Probenbehandlung
5.2 Proben fur Verzugsmessung
5.3 Proben fur Eigenspannungsmessungen

6 Charakterisierung der Hybridbauteile
6.1 Verzugsauswertungen nach additivem Aufbau
6.2 Auswertung der Eigenspannungsmessungen
6.2.1 Vorstudie
6.2.2 Messung Biegelinie Nach Umformung 4 Biegewinkel
6.2.3 Messung Biegelinie Nach additiven Aufbau
6.2.4 Messungen Schliff Nach Umformung
6.2.5 Messung nach additiven Aufbau
6.2.6 Messung Biegelinie nach Warmebehandlung und Umformung
6.2.7 Messungen Schliff nach Warmebehandlung
6.2.8 Auswertung Prozesskette 1,5 mm Blech thermisch/mechanisch:
6.2.9 Auswertung Prozesskette 1,5 mm Blech mechanisch/thermisch:

7 Diskussion der Ergebnisse
7.1 Verzug
7.2 Eigenspannungen

8 Zusammenfassung und Ausblick

9 Literaturverzeichnis

Verzeichnis der verwendeten Variablen, Symbole und Abkurzungen

Griechische Formelzeichen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Lateinische Formelzeichen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abkurzungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

In den letzten Jahren kam es zu einer erhohten Wahrnehmung von Titan und dessen Legierungen in der Technik. Dieser Zuwachs ist den besonderen Eigenschaften dieser Titanlegierung geschuldet, wie beispielsweise einer hohen spezifischen Festigkeit bei gleichzeitig moderatem Gewicht [1]. Weiter steigt der Bedarf sowie die Komplexitat von Funktionsbauteilen immer mehr, zeitgleich werden jedoch die Produktlebenszyklen dieser immer kurzer. Dies ist der Grund, warum Baugruppen immer effizienter gestaltet werden mussen und somit etablierte und von der Industrie beherrschte Produktionsprozesse wie Gieften oder die spanende Bearbeitung von Bauteilen immer haufiger an ihre Grenzen stoften. An diesen Grenzen greifen zum Beispiel die Additiven Technologien [1], wie das Laserstrahlschmelzen. Dieser pulverbettbasierte Fertigungsprozess erlaubt es hochkomplexe Funktionsbauteile zu fertigen und ist deswegen in Industrien wie der Luftund Raumfahrt [1] oder dem Fahrzeugbau vertreten. Werkstoffe wie zum Beispiel die Titanlegierung Ti-6Al-4V finden dabei auch wegen der guten Biokompatibilitat in der Medizintechnik Anwendung. Weiter kommt hinzu, dass Ti-6Al-4V die am besten erforschte Titanlegierung ist und somit schon ein breites Grundlagenwissen angesammelt wurde und auf dessen Basis aufgebaut werden kann.

Es gibt bereits viele Anwendungen, wie Schweiften oder Loten, mit welchen sich Titan fugen oder umformen lasst. Ein neuer Ansatz fur die Herstellung von komplexen Bauteilen aus Titan bietet dabei die additive laserunterstutze Fertigung. Bei diesen Prozessen wird das Werkstuck schichtweise (sukzessiv) aufgebaut, was die Fertigung von dreidimensionalen Strukturen moglich macht. Weiter bietet dieser Fertigungsansatz auch komplett neue Wege fur die Konstruktion und Gestaltung von Bauteilen, da diese uber ein zweidimensionales Layout aufgebaut werden. So ist es in diesem Zusammenhang moglich zunachst ein Blech umzuformen umso eine gewunschte Geometrie als Grundkorper herzustellen und in einem nachsten Schritt dann diesen mit additiv gefertigten Funktionselementen auszustatten. Es ist also moglich mittels Kombination aus klassischen Umformoperationen und additiven Fertigungsprozessen hochkomplexe Hybridbauteile zu fertigen.

Da dieser Verfahrenskombination jedoch weitestgehend noch nicht untersucht wurde, ist das Ziel dieser Arbeit eine Grunderhebung an Daten uber die wahrend der Fertigung auftretenden Begleiterscheinungen wie Verzug und Eigenspannungen zu generieren, so dass spatere Forschungen darauf aufbauen konnen. Hierzu wird zunachst der wahrend der additiven Fertigung entstehende Verzug der Bauteile gemessen, da wahrend des Laserprozesses hohe Mengen an thermischer Energie in das Bauteil eingebracht werden. In einem weiteren Schritt werden dann die Bauteile hinsichtlich der eingebrachten Eigenspannungen untersucht. Diese entstehen sowohl bei der Biegung der Blechgrundkorper, als auch wahrend der additiven Fertigung. Da nun sowohl bei der Umformung von Ti-6Al-4V als auch bei der Laserbestrahlung ein Spannungen prozessbedingt im Werkstoff entstehen, werden die produzierten Proben unterschiedlichen Warmebehandlungen unterzogen um diese zu reduzieren. Die gewonnenen Ergebnisse geben dann Auskunft uber die Mafthaltigkeit der Bauteile nach dem Prozess und die verwendeten Prozessparameter lassen sich weiter anpassen. Weiter kann mit den Ergebnissen aus den experimentellen Untersuchungen, das Ergebnis einer Simulation verifiziert werden oder Ruckschlusse auf mogliche Anpassungen in der angelegten Simulation getroffen werden konnen.

2 Stand der Technik

Im folgenden Abschnitt der Arbeiten werden die aktuell in der Forschung oder Industrie als Standard betrachteten Verfahren erlautert, welche fur das korrekte Verstandnis der Arbeit von entscheidender Wichtigkeit sind. Im ersten Teil des Stands der Technik wird ein grundlegendes Verstandnis fur klassische Biegeumformung dargestellt. Anschlieftend wird naher auf den Aufbau und den Ablauf eines additiven Fertigungsprozesses eingegangen. Weiter wird der metallkundliche Aufbau und der thermische Einfluss an Titan und Titanlegierungen werkstofftechnisch erlautert. Abschlieftend folgt ein kurzer Uberblick uber gangige Methoden zur Erfassung und Charakterisierung von Eigenspannung, welche in zwei Kategorien aufgeteilt wurden.

2.1 Grundlagen der Biegeumformung

Um zunachst einen Uberblick zu bekommen wird im folgenden Abschnitt nun naher auf die Biegetheorie eingegangen. Hierfur sollen zunachst die verschiedenen Arten von Biegen beziehungsweise dem Biegeumformen kurz eingeteilt werden. Dies geschieht mithilfe der DIN 8586, welche besagt, dass Biegen plastisches Umformen eines festen Korpers ist, wobei der plastische Zustand hauptsachlich durch eine Biegebeanspruchung verursacht wird [2]. Da das Biegen in der Industrie fur das Umformen von Blechen zu einem der am haufigsten angewendeten Verfahren zahlt, haben sich hier vielfaltige Verfahren entwickelt, welche verschieden eingesetzt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1: Biegeverfahren – Einteilung nach DIN 8586 nach [2]

Die Bandbreite reicht dabei von Einzelanfertigungen wie sie beispielsweise im

Schiffsbau zu finden sind, oder aber zur Massenfertigung in der Automobilindustrie. Die DIN 8586 teilt dabei die Biegeverfahren nach der Werkzeugbewegung ein, wodurch zwei Hauptgruppen entstehen; Biegeumformung mit geradliniger und drehender Werkzeugbewegung. In Abbildung 2-1 ist diese Einteilung grafisch dargestellt [3].

2.1.1 Freies Biegen

Da Biegeverfahren des „freien Biegens“ wird fur diese Umformung der Proben in dieser Arbeit verwendet, weshalb dieses Verfahren im Folgenden naher beschrieben wird. Hauptsachlich werden mit diesen Fertigungsverfahren metallische Werkstoffe umgeformt, es ist jedoch beispielsweise auch moglich Kunststoffe zu Biegen. Mit Hilfe des querkraftfreien Biegens, lassen sich die mechanischen Grundlagen der Biegeprozesse erlautern, zwar ist dieses Biegeverfahren praxisfern, jedoch lassen sich daraus Ruckschlusse uber Art der Formanderung (Biegeradius), Biegekrafte oder die elastische Rückfederung gewinnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-2: Biegezonen eines Blechkorpers bei einem Biegewinkel von 90° nach [4]

In der klassischen Biegetheorie wird davon ausgegangen, dass sich in der Mitte des Werkstuckquerschnittes eine neutrale Faser befindet, in welcher keine Langsspannungen wirken. Wird nun dieser Sachverhalt angenommen, so konnen zwei Zustande unterschieden werden, welche uber das Verhaltnis aus Innenradius ri und

Blechdicke s wie folgt beschrieben werden [4]:

Fall 1: ri/s > 50, Hypothese trifft zu

Fall 2: ri/s < 50, Hypothese trifft nicht zu

Wird nun Fall 2 untersucht, so liegt die ungelangte Faser nicht mehr in der Querschnittsmitte. Es ist zu beobachten, dass mit zunehmendem Biegewinkel, die Faser ins innere verlagert wird und infolge dessen eine Abflachung durch Streckung in der Auftenfaser auftritt. Gleichzeitig erfahrt die Innenfaser einer Stauchung. In Abbildung 2-2 wird die Verlagerung der neutralen Faser im Querschnitt eines Blechkorpers dargestellt [4]

Es kann also festgehalten werden, dass bei der durch die Umformung entstehende Beanspruchung beim Biegen die innere Faser in Schenkelrichtung gestaucht und die auftere Faser in Schenkelrichtung gedehnt wird.

Beim freien Biegen werden die Werkzeuge lediglich zur Kraftbzw. Momentubertragung auf das Werkstuck genutzt, wobei das Werkzeug dabei aus Stempel und Matrize besteht. Ein exemplarischer Aufbau wird in Abbildung 2-3 dargestellt. Bei dieser Form des Biegens liegt das Werkstuck auf 2 Punkten auf, wobei die Biegebewegung durch den Stempel ausgeführt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-3: Aufbau Werkzeug beim freien Biegen nach [5]

Durch diese Werkzeugbewegung wird eine wachsende Krummung in der Mitte des Stempels erreicht, wobei die gewunschte Form nicht von der Werkzeuggeometrie abhangig ist. Anwendung findet das freie Biegen uberwiegend zum Richten von Werkstucken wie abgesetzten Wellen, kurzer Stabe oder bei einfachen experimentellen Aufbauten [5] .

Da beim Umformen Spannungen in Form von Streckungen und Stauchungen in die Biegezone des Werkstuckes eingebracht werden, mussen diese durch Ausgleichvorgange in Form von Werkstoffverschiebungen ausgeglichen werden. Durch diesen Mechanismus entstehen Spannungen, welche zum Teil nach Beendigung der eigentlichen Umformoperation frei werden und dabei eine Ruckfederung der Schenkel des gebogenen Werkstuckes verursachen, die nicht gelosten Spannungen verbleiben dabei im Werkstuck. In Abbildung 2-4 ist dieses Verhalten exemplarisch Anhand eines Beispiels dargestellt [5].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-4: Schema Rückfederung nach [5]

Bei Untersuchungen dieses Verhaltes zeigte sich, dass wenn ein Blech nur schwach gebogen wird, also der Biegeradius r viel grofter als seine Dicke s ist, das Werkstuck starker in seine ursprungliche Form zuruck zu federn, als dies bei einem scharfkantig gebogenen Blech der Fall ist. Somit ist die Ruckfederung vom Verhaltnis des halben Biegedurchmessers zur Blechdicke abhangig. Der halbe Biegedurchmesser, wird auch Biegehalbmesser genannt und ist gleich dem Biegeradius [5].

Dieses Verhalten ist bei allen Biegeverfahren vorhanden, weswegen bei der konstruktiven Gestaltung eines Werkstuckes vorab eine Ermittlung der Ruckfederung durchgefuhrt werden sollte. Beim freien Biegen kann der Einfluss der Ruckfederung beispielsweise uber eine „Uberbiegung“ des Bauteiles minimiert werden. Eine rechnerische Abschatzung der Ruckfederung ist uber das Verhaltnis k aus dem zu erzielenden Biegewinkel a2 zum erforderlichen Biegewinkel des Werkzeuges ai, welcher die Ruckfederung ausgleicht, erfolgen. Das Verhaltnis wird in Gleichung 1 dargestellt [5].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Weiter hangt der Winkel ai von den Werkstoffeigenschaften sowie dem oben genannten Verhaltnis von Biegeradius zu Blechdicke ab. Untersuchungen mit verschiedenen Werkstoffen zeigen, dass der k -Wert mit der Werkstofffestigkeit zu nimmt, wenn das Elastizitatsmodul gleich ist. Dieser Zusammenhang wird in Gleichung 2 ebenfalls mathematisch gezeigt. Wobei ri2 den geforderten Radius des Werkstuckes darstellt [5].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Weiter kommt es bei Betrachtung von Gleichung 2 dazu, dass bei einem starrplastischen Werkstoff unter der Annahme eines „unendlichen E-Moduls“, keine Ruckfederung auftritt. Analog dazu neigt ein hochfester Werkstoff mit endlichem EModul zu einer grofteren Ruckfederung. Eine weitere Methode zur Bestimmung der bei einem Biegeprozess eintretenden Ruckfederung ist die „Finite Element Methode“ [5].

2.1.2 Theorien zur Berechnung der Biegung

Eine der ersten Berechnungsmethoden des querkraftfreien Biegens stammt aus dem Jahr 1903 von Ludwik [6]. Fur diese mathematische Beschreibung werden einige idealisierte Annahmen bezuglich des Blechkorpers und der anliegenden Umformkrafte vorausgesetzt, welche nachfolgend aufgefuhrt sind [2]:

- reines Biegemoment, mit kreisformiger Biegelinie
- ebener Formanderungszustand
- Annahme der Bernoulli-Hypothese (ebener Blechquerschnitte bleiben eben und senkrecht zur Blechoberflache)
- nur Spannungen in Umfangsrichtung werden berucksichtigt
- Werkstoff ist homogen, isotrop und inkompressibel
- Spannungs-Dehnungslinien sind fur Zug und Druck symmetrisch zum Nullpunkt
- Konstante Blechdicke

Betrachtet man nun mit den oben genannten Annahmen einen beliebigen Blechquerschnitt, wie in Abbildung 2-5 dargestellt, so fallen die Achsen des r, p, z- Koordina-tensystems mit den Hauptachsenachsen der Biegung uberein. Vernachlassigt man nun noch die Spannungen in rund z-Richtung, wird der Spannungstensor im ebenen Formanderungszustand auf den folgenden reduziert [3] .

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-5: Querschnitt durch gebogenes Bauteil mit Bezeichnungen nach [7]

Es kann also die Spannung direkt der Dehnung zugeordnet werden. Dadurch ergeben sich unter Verwendung der Annahmen nach Ludwik die folgenden Dehnungen im einachsigen Zugversuch [3] :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zum besseren Verstandnis der in Gleichung 4 verwendeten Variablen, werden diese in Abbildung 2-6 am Beispiel eines Blechquerschnittes erlautert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-6: Dehnungen im gebogenen Blechstreifen nach [3]

Da wie oben genannt in der elementarten Biegetheorie von symmetrischen Dehnungen zur Blechmitte ausgegangen wird stellt sich eine lineare Dehnungsverteilung ein. Die ungelangte Faser entspricht dabei der mittleren Faser. In Abbildung 2-6 werden die entstehenden Dehnungen in einem beliebigen gebogenen Blechstreifen nach der elementaren Biegetheorie dargestellt. Mit den obigen Annahmen lasst sich dann wie folgt das Biegemoment unter Berucksichtigung eines ebenen Formanderungszustandes wie folgt nach Gleichung 5 berechnen. Dabei muss jedoch berucksichtigt werden, dass das E-Modul durch das Platten-E-Modul E* aus Gleichung 6 ersetzt werden muss, wobei v die Querkontraktionszahl ist [1] :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wird nun die Grenze der elastischen Biegung erreicht, beginnt in den Auftenfasern der Werkstoff zu flieften. Dies ist moglich, da dort die Flieftspannung kf0 des Werkstoffes erreicht wird. Mit cm = &wa und E = kfo/ tfo kann nun uber die Gleichung 7 das Biegemoment fur den Ubergangsfall berechnet werden, wenn die elastische zur teilplastischen Biegung wird [3] :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wenn dieses Biegestadium erreicht ist, bilden sich von den Auftenrandern her plastische Bereiche, dies geschieht mit zunehmender Biegung. Die dabei entstehenden Grenzen zwischen plastischen und elastischen Bereichen im Blech, werden ublicherweise mit ± yf0 bezeichnet, wobei die Beziehung aus Gleichung 8 gilt [1] :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch Addition der elastischen und plastischen Anteile ergibt nun sich das Biegemoment fur die teilplastische Biegung in Gleichung 9 [3] .

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Verwendet man nun die Gleichungen 4 und 8 kann man nach Integration das Biegemoment fur einen elastisch-idealplastischen Werkstoff mit konstanter Flieftspannung kf = kf0 berechnen [1]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wird nun den Grenzfall einer vollplastischen Biegung betrachtet (yfo 0), kann fur eine uberschlagige Einschatzung folgende Beziehung zur einfachen Berechnung herangezogen werden, wobei das Moment Mbvp dabei das Grenzmoment fur einen idealplastischen Werkstoff darstellt [2]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.3 Einflussund StorgroBen

Da die im vorherigen Teil vorgestellten Berechnungsmethoden einen einfachen Biegeprozessen mit reiner Momentbelastung und ein stark idealisiertes Werkstoffverhalten voraussetzen, wird im Folgenden nun naher auf Einflussund Storgroften eingegangen, welche in einem normalen Biegeprozess in der Praxis vorkommen. Diese Storgroften bedarf es einer Abschatzung beziehungsweise einer Vorausplanung. Biegeprozesse beinhalten zahlreiche Fehlerquellen, die einzeln oder gemischt zu einer beachtlichen Abweichung des resultieren Bauteils fuhren konnen. Wichtige Storgroften eines Biegeprozesses sind beispielsweise [2]:

- Verfahrenseinflusse,
- Maschineneinflusse,
- Werkzeugeinflusse,
- Werstuckeinflusse,
- Werkstoffeinflussen

Im Folgenden wird nun auf die einzelnen Einflusse eingegangen und in wie weit diese fur eine Biegeumformung relevant sind.

Verfahrenseinflusse:

Maftgeblich fur das Biegeergebnis ist die Wahl des Biegeverfahrens. Dieses ist in Abhangigkeit der gewunschten Umformung zu wahlen. Mit der Wahl des Verfahrens ergeben sich die verfahrensrelevanten Stellgroften, welche zur Einstellung der gewunschten Biegeteileigenschaften zur Verfugung stehen. Wesentliche Stellgroften sind hier die Anzahl und Anordnung der steuerbaren Achsen der beim Prozess beteiligten Werkzeuge, uber welche die Biegekrafte auf das Werkstuck ubertragen werden [1].

Maschineneinflusse:

Maschinenseitig lasst sich die Biegeumformung konkret mittels der von der Maschine bereitgestellten Leistung definieren. Hierzu zahlt beispielsweise die Nennkraft, welche die Art der herstellbaren Teile, als auch das Werkstoffspektrum einschrankt. Weiter zahlen unter Maschineneinflusse auch Einflussgroften wie Positioniergenauigkeit oder Steifigkeit des Maschinengestells hinzu. Da fur die Umformung unter Umstanden grofte Krafte am Werkstuck angreifen, stellt beispielweise auch die Wahl des Hydralikols und die damit bei Erwarmung diese auftretenden Charakteristika eine

Grofte dar, welche zu Abweichungen am Bauteil fuhren konnen [1].

Werkzeugeinflusse:

Die Maschinengroften fuhren nun weiter zu den Einflussen des Werkzeuges auf die Bauteilqualitat, da diese eng mit einander verknupft sind. Wichtige Einflussgroften des Werkzeugs sind die Positionierung der Werkzeugpaare zueinander aber auch Verschleift an den Werkzeugen, welcher uber deren Nutzungsdauer entsteht [2].

Werkstuckeinflusse:

Da fur Biegeumformung haufig gewalzte Halbzeuge verwendet werden, ist auch die Nennblechdicke des Blechzuschnittes fur den Prozess entscheidend. Weiter ist daneben noch der Blechzuschnitt, als Ausgangsbasis fur das Werkstuck entscheidend. Hier ist vielmehr die Formbestimmung schwierig anzusehen, als weniger das Zuschneiden der Blechhalbzeuge, da hier eine sehr gute Prozesskenntnis notwendig ist [2].

Werkstoffeinflusse:

Die Werkstoffeigenschaften des Halbzeuges sind ein weiterer wichtiger Faktor. Eigenschaften wie E-Modul, Streckgrenze, Zugfestigkeit oder aber die Flieftkurve sind wohl die am schwierigsten zu berucksichtigen Faktoren. Da diese zwischen einzelnen Werkstoffchargen schwanken konnen und somit der Prozess entsprechend nachgeregelt werden muss [2].

In Abbildung 2-7 werden die aufgelisteten Einflussund Storgroften hinsichtlich der Fahigkeit zur Simulationsabschatzung untergliedert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-7: Einflussgroften beim Blechbiegen nach [3]

Wie in Abbildung 2-7 dargestellt, lassen sich nicht alle Einflussgroften simulativ Abbilden, weswegen immer noch viel Prozesswissen und Erfahrung notwendig sind, um alle Parameter abschatzen zu konnen.

2.1.4 Laserstrahlbiegen

Durch Entwicklungen im Bereich der Lasertechnik, ist auch heutzutage auch moglich Blechkorper uber die Einbringung von Warme zu biegen, wodurch mechanische Verfahren teilweise schon ersetzt werden konnen.

Umformen per Laserstrahl kann im Wesentlichen uber zwei Effekte geschehen. Zum einen kann eine Langenanderung von Werkstucken mithilfe des Stauchmechanismus, bei welchem eine homogene Temperatur in das Werkstuck eingebacht wird, durchgefuhrt werden und zum anderen konnen Bauteile auch mittels Temperaturgradienten Mechanismus gebogen werden, bei welchem eine inhomogene Temperaturverteilung uber den Bauteilquerschnitt eingebracht wird. Abbildung 2-8 zeigt dabei die Warmeverteilung und den entstehenden Temperaturgradienten [8].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-8: Temperaturgradienten Mechanismus beim Laserstrahlbiegen nach [9]

Der Prozess kann vereinfacht in vier Schritte unterteilt werden. Zunachst befindet sich das Werkstuck in einer Ausgangssituation. Anschlieftend wird der Werkstoff lokal erwarmt, was zu einer thermischen Expansion des bestrahlten Bereichs fuhrt, wodurch Druckspannungen eingebracht werden. Im dritten Schritt werden die Spannungen im erwarmten Bereich durch plastisches Flieften wieder abgebaut. Im letzten Schritt kommt es dann auf Grund der Abkuhlung zu einer thermischen Kontraktion [9]. Da in dieser Arbeit additive Elemente auf dunnen Blechgrundkorpern aufgebaut werden, ist die Warmeeinbringung in diese nicht unerheblich, wodurch es zu Deformationen im Grundblech kommen konnte.

2.2 Additive Fertigung mittels Laserstrahlschmelzen

In diesem Abschnitt wird nun auf die additive Fertigung eingegangen. Speziell wird hier das „Selektive Laserstrahlschmelzen, SLS“ (englisch Selective Laserbeam Melting, SLM) eingegangen. Die Nutzung additiver Fertigungsprozesse bietet Entwicklern und Konstrukteuren neue Moglichkeiten um Bauteile zu Gestalten. Im SLS-Prozess, wird das Bauteil schichtweise durch lokales Aufschmelzen eines sehr feinen und reinen Metallpulvers sukzessiv aufgebaut. Der schichtweise Aufbau erleichtert dabei dem Entwickler die Modellierung des Bauteils, da er nicht mehr auf eine Fertigungsgrechte Konstruktion achten muss, wie es beim Gieften der Fall ist. Das Vermeiden von Hohlraumen oder Hinterschneidungen entfallt. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Bauteil mit maximaler Materialeffizienz gefertig wird, da der Laser das Pulver nur dort aufschmilzt, wo es benotigt wird, somit entstehen fast keine Abfalle. Hinzu kommt, da die Wirkenergie durch einen Laserstrahl eingebracht wird handelt es sich um einen werkzeuglosen Fertigungsprozess. Zusatzlich konnen bereits erstellte CAD Dateien fur die die Planung und den Ablauf der Fertigung verwendet werden, da die meisten Programme fur das Erstellen des Schichtaufbaus das universalle Step-Format verwenden konnen. In Abbildung 2-9 ist der Aufbau des selektiven Laserstrahlschmelzens schematisch dargestellt [10].

In der Industrie findet die additive Fertigung vor allem im Prototypenbau Verwendung, hier findet es hauptsachlich als Rapidprototyping Anwendung. Dies liegt zum einen daran, dass die Anlagenkosten noch sehr hoch sind und zum anderen, dass der additive Prozess noch unzureichend reproduzierbar ist und somit noch nicht stabil genug fur eine Serienfertigung funktioniert. Die Prozesskette zur Bauteilherstellung ist dabei im Wesentlichen bei allen additiven Prozessen ahnlich. Zunachst wird mittels Computer Aided Design kurz CAD ein 3-dimensionales Modell des gewunschten Bauteils erstellt. Die so entstandenen Daten werden dann mittels Standard Tessellation Language, STL Datei in die maschinenspezifische Software importiert. Bei der Umwandlung in eine STL Datei wird die Oberflache mittels dreieckigen Elementen an die ursprungliche Geometrie angenahert. Im nachsten Schritt findet nun die Positionierung in der virtuellen Baukammer der Maschine statt und falls dies erforderlich ist mit Stutzstrukturen (Supports) an die Bauplattform angebunden. Diese Strukturen sind wichtig um Verzug des Bauteiles oder ein Ablosen zu verhindern. Anschlieftend an diesen Schritt wird das Bauteil in die in horizontale Schichten aufgeteilt (Slicen), die Schichtdickte entspricht hierbei der Fertigungsschichtdicke die gewahlt wurde.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-9: Schema des selektiven Laserstrahlschmelzens nach [10]

Nachfolgend wird den jeweiligen Schichten die Belichtungsvektoren des Lasers zugeordnet (Hatchen). Das Erstellen der fertigungsrelevanten Daten ist dadurch abgeschlossen und das Bauteil kann sukzessiv aufgebaut werden. Die Prozesskette eines standardisierten additiven Produktionsprozesses wird in Abbildung 2-10 darstellt [11]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-10: Prozesskette additiver Prozess nach [11]

Um das Thema ganzheitlich zu betrachten, wird nun noch naher auf den Laserprozess eingegangen:

Der Begriff LASER steht fur “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” und wird durch die nachfolgende Abbildung 2-11 naher beschrieben [12].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-11: Schematischer Aufbau Laser nach [12]

Die Laserstrahlung wird in dem laseraktiven Medium erzeugt, dieser Vorgang allein genugt allerdings meist nicht, zwar gibt es exotische Typen von Lasern, wo dies der Fall ist, jedoch muss in den meisten Fallen verstarkt werden. Dies geschieht im Resonator, in welchem dieser Vorgang wiederholt wird, was letztendlich zu einem gerichteten und damit nutzbaren Laserstrahl fuhrt. Dadurch einsteht ein monochromatischer Strahl aus koharentem Licht bei gleichzeitig sehr geringer Divergenz. Die Wellenlange des Strahls wird dabei durch das Medium bestimmt, alle weiteren Eigenschaften wie Divergenz, Strahldurchmesser oder Intensitat werden durch den Resonator festgelegt [12] .

2.3 Titan und Titanlegierungen

Da in dieser Arbeit fur die experimentellen Versuche der Titanwerkstoff TiAl6V4 verwendet wird, wird im Folgenden der metallografische Aufbau des Werkstoffs und dessen Eigenschaften beschrieben.

2.3.1 Metallkundliche Grundlagen von Titan:

Im Folgenden werden die Eigenschaften von Titan und der mit einem Anteil von 50 % am weitest verbreiteten Legierungen TiAl6V4 dargestellt. Von den auf der Erde vorhandenen Metallen ist mit 0,6 % Titan das vierthaufigste, nach absteigend Eisen, Aluminium und Magnesium [13] . Mit einer Dichte von 4,51 g/cm[3] ist es das schwerste der Leichtmetalle und besitzt ca. die doppelte Dichte wie Aluminium. Titan und seine Legierungen zeichnen sich besonders durch ihre hohe spezifische Festigkeit und Korrosionsbestandigkeit aus, weshalb sie ein breites Anwendungsspektrum in der Luftund Raumfahrt, der Medizintechnik oder aber der Sportund Freizeitindustrie finden. Die Legierung TiAl6V4 findet in diesen Anwendungsfeldern die meiste Verwendung, dies ist einerseits den hervorragenden mechanischen Eigenschaften dieser Legierung geschuldet und dadurch auch ein umfangreiches Wissen zu diesen angesammelt wurde [14].

Reines Titan kann in zwei verschiedenen Gitterstrukturen auftreten. Zunachst bildet sich beim erstarren bei einer Temperatur von 1668 °C, das kubisch raumzentrierte (krz) Kristallgitter der p-Titan Phase aus und erfahrt bei 882 °C eine Phasenumwand­lung, wodurch sich die a-Phase mit einem hexagonalen Gitter dichtester Kugelpackung (hdp) bildet. Die Umwandlungstemperatur (Transustemperatur) bildet einen der entscheidenden Prozessparameter bei der Umformung oder anderer thermomechanischen Anwendungen von Titan. Die pa-Phasenumwandlung kann, wenn eine Abkuhlgeschwindigkeit von uber 500 K/s erreicht wird, martensitisch erfolgen. Da es jedoch bei Titan nicht wie in Stahl zu einer Zwangslosung von Elementen kommt, erfolgt hierdurch keine deutliche Verfestigung des Werkstoffes. In nachfolgender Abbildung 2-12 werden diese beiden Gitterstrukturen mit den dazugehorigen Gitterkonstanten kurz dargestellt [15].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-12: Darstellung Titanphasen mit Gitterkonstanten; p-Titan, krz (links) und a-Titan, hdp (rechts) nach [16]

2.3.2 Metallkundliche Grundlagen von Titanlegierungen (TiAl6V4):

Bei der Herstellung von Titanlegierungen konnen die Legierungselemente in zwei verschiedene Kategorien unterteilt werden.

Molybdan (Mo), Eisen (Fe), Vanadium (V), Chrom (Cr) und Niob (Nb), bewirken, dass die p-Phase bei niedrigen Temperaturen, einschlieftlich Raumtemperatur stabil bleibt. Auf Grund dieser Eigenschaft werden diese Elemente auch als pStabilisatoren bezeichnet.

Aluminium (Al), Zinn (Sn), Zirkon (Zr), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N), verhindern ein Ausbreiten der p-Phase und sorgen dafur, dass sich ein erhohter Anteil an aPhase sich im Werkstoff bildet. Entsprechend werden diese Elemente auch aStabilisatoren genannt [16].

Auf Grundlage dieser Kategorien lassen sich Titanlegierungen in drei unterschiedliche Klassen einteilen:

- aund nearaLegierungen weisen keinen oder nur einen sehr kleinen Anteil an p-Phase auf (<5%).
- pund nearpLegierungen enthalten nur einen geringen Anteil an aPhase (<5%).
- Andernfalls bezeichnet man die Legierungen als Mischgefuge mit ei nem Gefugeanteil an p -Phase zwischen 5% und 95% (falls MartensitStarttemperatur uber Raumtemperatur liegt), oder als metastabile pLegierungen, wenn sich die Legierung ausscheidungsharten lassen.

Die Legierung TiAl6V4 ist der am haufigsten eingesetzte Titanwerkstoff (ca. 50 %). Sie wurde in den 1950er Jahren entwickelt und ist deswegen die Titanlegierung, welche am besten erforscht ist. TiAl6V4 enthalt 6 % Aluminium zur Stabilisierung der a-Phase und 4 % des p-Phasen Stabilisators Vanadium. Weiter ist der Sauerstoffgehalt, welcher im Regelfall zwischen 0,05 % und 0,2 % liegt und die durchgefuhrte Warmebehandlung entscheidend, mit welchen Anteilen sich die aund p-Phase im Gefuge verteilt. Martensitisches Gefuge besteht hauptsachlich aus a-Phase, jedoch ist dieser Zustand metastabil. Der maximale Anteil von ca. 90 % a-Phase wird bei einer langsamen Abkuhlung von 750 °C erreicht. Wenn der Werkstoff entsprechend schneller abgekuhlt wird oder eine Warmebehandlung im hoheren Temperaturbereich mit Luftabkuhlung stattfindet, bildet sich die p-Phase aus. Der maximal mogliche Anteil dieser Phase betragt ca. 25 %. Die mechanischen Eigenschaften von TiAl6V4 lassen sich also beeinflussen und gezielt einstellen. Erfahrt der Werkstoff eine thermomechanische Behandlung konnen demnach drei unterschiedliche Gefugetypen eingestellt werden. Die beiden Extremformen stellen dabei das lamellare Gefuge, welches durch einfaches Abkuhlen aus der p-Phase entsteht und das globulare Gefuge, welches durch mechanische Verformung mit anschlieftender Rekristallisation wahrend des Losungsgluhen entsteht dar. Es konnen dabei Grobund Feinstrukturen entstehen, wobei der lamellare Teil durch schnelles Abkuhlen verfeinert werden kann und der globulare Teil sich mit zunehmender Gluhzeit vergrobert. Die dritte Mikrostruktur bildet das bimodaleoder Duplexgefuge, welches sich durch Losungsgluhen dicht unter der p-Transustemperatur bildet. Das Duplexgefuge besteht dabei aus einer a-Phase in einer lamellaren Matrix von a+p-Gefuge.

[...]