Qualität von 3-D-Druck-Bauteilen 22. Okt 2021 Von Martin Ciupek

Prüfverfahren eignen sich unterschiedlich gut für die additive Fertigung

Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) hat mehrere Verfahren zur Untersuchung komplexer Strukturen von Bauteilen aus dem 3-D-Druck geprüft. Dabei waren sie insbesondere Fehlern im Bauteilinneren auf der Spur.

Tobias Neuwirth justiert den Aufbau für die Neutronengitter-Interferometrie am Instrument Antares in der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München.
Foto:Bernhard Ludewig / FRM II / TUM

Turbinenschaufeln mit Kühlkanälen im Inneren sind besonders sicherheitskritische Einsatzbereiche für die additive Fertigung. Ein gängiges Verfahren dafür ist das Laserstrahlschmelzen. Dabei schmilzt ein Laser eine dünne Lage Metallpulver an bestimmten Stellen auf. Schicht für Schicht entsteht in einem Bett aus Pulver so das Bauteil. Instabilitäten im Prozess können dabei jedoch zu Defekten im Bauteil führen, die von außen nicht zu erkennen sind, aber die Festigkeit des Bauteils deutlich mindern können. Typische Defekte sind beispielsweise Poren und Risse. Im Extremfall können sich sogar einzelne Schichten teilweise oder ganz voneinander lösen.

„Kritische Bauteile müssen wir daher nach dem Herstellungsprozess untersuchen – und das natürlich zerstörungsfrei“, verdeutlicht Cara Kolb vom Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (IWB) der Technischen Universität München (TUM). Dafür gibt es unterschiedliche Testverfahren. Welches davon am besten für die komplexen Metallbauteile geeignet ist, haben Forschende vom IWB nun in einem Versuch ermittelt.

Tests an definierten Prüfkörper

Untersucht wurden die aktive Infrarot-Thermografie (active infrared thermography, aIRT), Ultraschall (ultrasonic testing, UT), die Röntgen-Computertomografie (X-ray computed tomography, CT) sowie die Neutronengitter-Interferometrie (neutron grating interferometry, nGI). Für ihre Versuche stellten die Forschenden zunächst Prüfkörper mit Defekten verschiedener Größe und Tiefenlage her. Anschließend sollten diese Defekte mit den zerstörungsfreien Prüfverfahren detektiert werden.

Im Test zeigten die Verfahren unterschiedliche Stärken und Schwächen. Letztlich kamen die Forschenden jedoch zum Ergebnis, dass die Neutronengitter-Interferometrie, die aufwendiger und teurer als die anderen untersuchten Testverfahren ist, von allen Verfahren die meisten und die kleinsten Defekte entdeckte. Die Untersuchungen an der Forschungsneutronenquelle führte der Doktorand Tobias Neuwirth am Instrument Antares durch. „Wir testen Bauteile mit Neutronengitter-Interferometrie. Dabei beobachten wir ortsaufgelöst die Streuung und Absorption von Neutronen. Ändert sich diese, gibt das Aufschluss über die Art und die Größe der Defekte“, beschreibt er das Vorgehen.

Hohe Auflösung mit Neutronen

„Neutronen können tief in den Werkstoff eindringen und ermöglichen eine hohe Auflösung der inneren Bauteilstruktur. Besonders gut eignen sie sich für Nickelbasislegierungen, die enorm wichtig sind für die additive Fertigung von Luft- und Raumfahrtstrukturkomponenten“, lautet daher auch das Fazit von Cara Kolb.

Die Genauigkeit der Prüfverfahren ist generell wichtig, um Qualität additiv gefertigter Bauteile zerstörungsfrei abzusichern. Denn daraus lassen sich Aussagen ableiten, wie wahrscheinlich ein Bauteil im Betrieb versagt. Das ist nicht nur für Flugzeugbauteile wichtig, sondern beispielsweise auch für zunehmend additiv hergestellte Automobilkomponenten. Damit dürfte auch die Forschung an entsprechenden Prüfmethoden noch weiter an Bedeutung gewinnen.

Mit Material der TUM

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