Additiv gefertigte Hexapod-Gelenke auf dem Prüfstand

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Um die komplexen Gelenke in geringer Stückzahl aus Inconel zu fertigen, drängt sich der Einsatz von additiven Verfahren auf. Doch halten AM-Bauteile den Belastungen so gut stand, wie geschmiedete Gelenke?

Sie schütteln Piloten in Flugsimulatoren durch, richten Weltraumteleskope aus und übernehmen in Laseranlagen und in der Halbleiterfertigung das mikrometergenaue Kippen und Drehen von Linsen und Spiegeln.

Hexapods bestechen durch Beweglichkeit in allen sechs Freiheitsgraden - rotatorisch und translatorisch. Doch diese Beweglichkeit beansprucht ihre Gelenke. Hochfeste Werkstoffe wie die Nickelbasislegierung Inconel sind im Einsatz, um deren Lebensdauer zu erhöhen.

Um die komplexen Gelenke in geringer Stückzahl aus Inconel zu fertigen, drängt sich der Einsatz von additiven Verfahren auf. Doch halten AM-Bauteile den Belastungen so gut stand, wie geschmiedete Gelenke? Dieser Frage sind MBFZ toolcraft, Carl Zeiss SMT und die MPA Universität Stuttgart nun für einen speziellen Anwendungsfall nachgegangen: Hexapod-Gelenke aus Inconel 718, die im Betrieb gasförmigem Wasserstoff (< 1 MPa) ausgesetzt sind.

In einer Fachveröffentlichung beschreibt das Team die Problematik. In Wasserstoff neigen hochfeste Werkstoffe zur Versprödung. Doch um dieses Phänomen am konkreten Bauteil zu untersuchen, sind aufwändige Versuchsreihen erforderlich. Um diesen Aufwand zu begrenzen, setzen die Forscher auf vergleichende Zug-Druck-Wechselversuche in Raumluft und in einem Druckwasserstoffautoklaven der Stuttgarter Hochschule. Damit legen sie die Basis, um aufwändigere Biege-Wechsellastversuche nur in Raumluft durchführen zu müssen und davon ausgehend rechnerisch auf die Schwingfestigkeit im Wasserstoff zu schließen.

Konkret durchliefen drei Chargen á 50 Proben die Lebensdauerprüfung. Eine davon war herkömmlich gefertigt, zwei weitere im selektiven Laserschmelz-(SLM)-Verfahren. Diese unterschieden sich durch ihre Schichtdicken von 40 µm beziehungsweise 60 µm. Dauerschwingversuche an Raumluft ergaben, dass die ermittelten Wöhlerlinien der herkömmlich und additiv gefertigten Proben nahezu identisch sind. „Additiv und konventionell gefertigtes Material besitzen also die gleichen Schwingfestigkeiten“, schließen die Forscher daraus.

Im nächsten Schritt ermittelten sie jeweils unter Raumluftbedingungen, dass die Schwingfestigkeit unter Zug-Druck-Wechselbelastung geringer ist, als im Biegewechselversuch. Das allein überrascht nicht – doch zeigt die Untersuchung einen quantifizierbaren Unterschied. Und dieser lieferte ihnen dann die Grundlage, um quasi über Bande auf das Werkstoffverhalten in Wasserstoff zu schließen. Die so ermittelten Wöhlerlinien der konventionell und additiv gefertigten Proben nehmen abermals einen fast identischen Verlauf. Zwischenfazit: „Additiv und konventionell gefertigtes Material besitzt auch unter Wasserstoff die gleichen Schwingfestigkeiten“. Mit der Methode gelingt den Forschern außerdem der Nachweis, dass der befürchtete Versprödungseffekt des Inconel 718 im Wasserstoff nicht eintritt.

Der Brückenschlag vom Zug-Druck-Wechselversuch unter spezifischen Umweltbedingungen (hier Wasserstoff) zum Biegewechselversuch an Raumluft ist gelungen. Im nächsten Schritt ist geplant, „noch unausgeschöpfte Optimierungspotentiale der additiven Fertigung zur weiteren Steigerung der Bauteilzuverlässigkeit zu nutzen“. Auch Untersuchungen zum Einfluss der Anregungsfrequenzen auf die Schwingfestigkeit stehen an. Die bisherigen Ergebnisse deuten aber bereits an, dass die Fertigung hochbelasteter Hexapod-Gelenke im SLM-Verfahren zur ernstzunehmenden Alternative reifen kann.

 

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