Eigenspannungsmessungen in 3D-gedruckten Stahlbauteil mit der Kontur-Methode im Vergleich
Vom DED-Arc-Bauteil zur Eigenspannungs-Map: Trennen mittels Drahterodieren, Konturmessung und FEM-Auswertung mit der Kontur-Methode.
Leichtere, materialeffiziente Bauteile gelten als wichtiger Baustein für eine klimafreundlichere Industrie. Doch gerade beim additiven Fertigen von hochfestem Stahl mittels Lichtbogenschweißen entstehen im Inneren oft hohe Eigenspannungen – also Spannungen, die nach der Herstellung im Material zurückbleiben. Sie können Bauteile verziehen, Risse begünstigen und ihre Lebensdauer verkürzen. Genau diese verborgenen Belastungen hat das Forschungsteam der BAM an einem additiv gefertigten Stahlbauteil genauer untersucht.
Im Mittelpunkt stand ein Verfahren namens Konturmethode. Dabei wird das Bauteil entlang einer festgelegten Ebene mit Drahterodieren präzise getrennt. Die dabei frei werdende, sehr kleine Verformung der Schnittflächen wird vermessen und anschließend mit der Finite-Elemente-Methode – einem Rechenverfahren zur Spannungsanalyse – ausgewertet. So lässt sich sichtbar machen, wie die Spannungen zuvor im Inneren des Bauteils verteilt waren. Ergänzend kamen Röntgenbeugung für oberflächennahe Spannungen und Neutronenbeugung für Messungen im Bauteilinneren zum Einsatz.
Das Ergebnis: Die verschiedenen Messverfahren lieferten ein stimmiges Gesamtbild. Besonders hohe Zugspannungen fanden sich einige Lagen unter der Oberfläche des additiv aufgebauten Stahls. In den obersten Schichten und in Teilen des Inneren traten dagegen Druckspannungen auf. Ursache ist ein komplexes Zusammenspiel aus starkem Aufheizen, ungleichmäßigem Abkühlen, Schrumpfung und Gefügeänderungen im Stahl. Auch Härtemessungen bestätigten diese Zusammenhänge.
Die Arbeit zeigt, dass sich Eigenspannungen in solchen Hochleistungsbauteilen mit vergleichsweise praxistauglichen und wirtschaftlichen Methoden zuverlässig erfassen lassen. Damit liefert sie wichtige Grundlagen, um additive Fertigungsprozesse gezielt zu verbessern und Bauteile aus hochfestem Stahl künftig sicherer und langlebiger auszulegen.
Comparative residual stress analysis on a DED-Arc manufactured high-strength steel component using the contour method and XRD
Shabdali, G.A., Wandtke, K., Schroepfer, D. et al.
Weld World (2026). doi.org/10.1007/s40194-026-02441-y
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