Die BAM hat die inneren Spannungen additiv gefertiger Teile erstmals zerstörungsfrei an komplexen Bauteilen gemessen – und zwar mit einem Neutronenstrahl. Gelungen ist dies an Gasturbinenschaufeln aus einer Nickel-Legierung. Diese werden additiv hergestellt aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial. Dabei wird das Bauteil durch selektives Aufschmelzen Schicht für Schicht mit einem Laser aufgebaut. Nach dem Vorbild von Vogelknochen geben filigrane Gitterstrukturen im Inneren der hohlen Turbinenschaufeln die nötige Stabilität.
„Mit gängigen Fertigungsmethoden wie Gießen und Fräsen wären komplexe Bauteile mit solch filigranen Strukturen gar nicht herzustellen“, so Tobias Fritsch, Physiker an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Durch den lokalen Wärmeeintrag des Lasers und die schnelle Abkühlung entstehen allerdings auch Spannungen im Material. Die herstellenden Unternehmen eliminieren diese bislang durch eine nachträgliche Wärmebehandlung. Doch das kostet Zeit und Geld.
Feststellen lassen sich die Spannungen durch Röntgenstrahlen. Doch die dringen nicht tief ins Bauteil ein. Und sie stoßen bei filigranen Hohlstrukturen aufgrund der geometrischen Komplexität an ihre Grenzen.
Das Team der BAM beschloss, Objekte aus dem 3D-Drucker mit einem Neutronenstrahl zu beschießen. Der dringt tiefer ein und wird an spannungsreichen Stellen von der Gitterstruktur der Atome auf charakteristische Weise gebeugt.
Unterstützt wurde das BAM-Team durch zwei Kooperationspartner: Es konnte die Forschungs-Neutronenquelle des Heinz Maier-Leibnitz-Zentrums (FRM II) der Technischen Universität München für seine Versuche nutzen. Und der Gasturbinenhersteller Siemens Energy stellte ein additiv gefertigtes Bauteil zur Verfügung: eine nur wenige Millimeter große Gitterstruktur, gedruckt aus einer Nickel-Chrom-Legierung. „Entscheidend war, die Messpunkte mittels Computertomografie möglichst genau zu lokalisieren“, so Fritsch. „Sie konnten wir unter Beschuss mit Neutronen exakt verorten und damit auch die Spannungen.“
In einem nächsten Schritt wollen die Forscher herausfinden, welche Parameter während des 3D-Drucks zu Spannungen führen können. Fritsch: „Vermutlich wird es entscheidend sein, die Wärme beim Drucken möglichst gleichmäßig zu verteilen.“
