Eine Promovendin der Hochschule Osnabrück erforscht die Schweißbarkeit von additiv gefertigtem und gegossenem Stahl, um die Verbindung dieser beiden Herstellungsverfahren zu verbessern. Nicht nur Kunststoffe, sondern auch Metalle wie Stahl lassen sich mithilfe additiver Fertigungstechnologien, wie dem 3D-Druck, verarbeiten. Additiv gefertigter Stahl wird bereits in der Medizintechnik und Luftfahrt häufig eingesetzt, da er zahlreiche Vorteile bietet, insbesondere bei der Herstellung komplexer Geometrien.
„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“, sagt Julianna Posey, Promovendin an der Hochschule Osnabrück und der University of Maryland Baltimore County (UMBC), USA.
Unterschiede in der Mikrostruktur durch verschiedene Herstellungsverfahren
Das Zusammenspiel von additiv gefertigtem und traditionell hergestelltem Stahl ist bislang kaum erforscht. Die Promovendin Posey untersucht in ihrer Dissertation daher gezielt Schweißverbindungen, die sowohl gegossenen als auch additiv gefertigten Stahl kombinieren. Unterschiedliche Produktionsmethoden führen zu unterschiedlichen Mikrostrukturen im Material, die sich beim Schweißen auf die Stabilität der Verbindung auswirken.
„Mein Fokus sind dabei die Ermüdungserscheinungen des gedruckten 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.
Additiv gefertigter Stahl entsteht in einem Pulverbett, wobei ein Laser das Pulver schichtweise aufschmilzt und so das gewünschte Bauteil formt. Dieser Prozess bewirkt einen sehr spezifischen Wärmeeinfluss, der zu einer ungleichmäßigen Mikrostruktur führen kann. Eine nachträgliche Wärmebehandlung wird daher erforderlich, um diese Struktur zu homogenisieren und den Stahl für praktische Anwendungen vorzubereiten.
Unterstützung durch die Industrie
Für ihre Forschungsarbeiten erhielt die Promovendin Unterstützung aus der Industrie: Die Proben, die sie für ihre Schweißtests verwendete, wurden speziell von qualifizierten Schweißfachkräften im Volkswagen-Werk in Osnabrück hergestellt. Diese eigens gefertigten Proben ermöglichen es Posey, ihre Versuche unter realitätsnahen Bedingungen durchzuführen und so möglichst praxisnahe Ergebnisse zu erzielen.
„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.“
Schwierigkeiten bei der Schweißverbindung additiv gefertigter Stähle
Die Proben wurden einer Reihe von Tests unterzogen, darunter Zugversuche und Härteprüfungen, um die Eigenschaften und Belastbarkeit der Schweißverbindungen zu bewerten. Posey experimentierte dabei sowohl mit Schweißzusätzen als auch ohne, um die optimalen Bedingungen für eine stabile Verbindung herauszufinden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schweißverbindung häufig an der additiv gefertigten Seite bricht, was auf die besonderen Mikrostruktureigenschaften dieses Stahls zurückzuführen sein könnte.
„Meine Untersuchungen haben gezeigt, dass die Schweißverbindung häufig auf der Seite mit dem additiv gefertigten Stahl bricht. Das zeigt uns, dass wir den Schweißvorgang 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.“
