Fatigue strength assessment of additively manufactured 17-4PH structures considering surface layer effects and residual stresses

Titel in Übersetzung: Ermüdungsfestigkeitsbewertung additiv gefertigter Strukturen aus 17-4PH Stahl unter Berücksichtigung der Oberflächentopographie und des Eigenspannungszustandes

Peter Entfellner

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, einen wissenschaftlichen Beitrag zur Dauerfestigkeitsbewertung von 17-4PH-Stahlstrukturen, die durch den Prozess des selektiven Laserschmelzen hergestellt wurden, zu leisten. Es wurden 4 Probenserien untersucht, welche sich in der Wärmenachbehandlung sowie in der Art des Konturlayers beim Druck unterscheiden. Da bei additiv gefertigten Bauteilen die Eigenspannungen einen großen Einfluss auf die Dauerfestigkeit haben, werden sie in dieser Arbeit experimentell mittels Röntgendiffraktometrie ermittelt. Die Eigenspannungen werden auch mittels dem Programm SimufactAdditive numerisch evaluiert und mit den experimentell ermittelten Ergebnissen verglichen. In einem Teil dieser Arbeit, wird der Einfluss der Oberflächenrauheit auf die Dauerfestigkeit betrachtet. Die mit einem Lichtmikroskop aufgenommene, dreidimensionale Oberflächentopographie bildet die Grundlage für die Ermittlung repräsentativer flächenbezogener Rauheitsparameter. Der Rauheitseinfluss wird durch einen lokalen und einen globalen Ansatz mit den Faktoren, der mittleren Kerbtaltiefe Sv und dem Kerbgrundradius ρ berücksichtigt. Der Ansatz unterteilt die Probenoberfläche in Teilbereiche und berücksichtigt lokale Rauheitsparameter, was zu einer direkten Dauerfestigkeitsbewertung der einzelnen Bereiche führt. Ein globales Konzept mittelt die Maxima der Oberflächenparameter über die gesamte Probenoberfläche und bezieht auch die experimentell oder numerisch ermittelten Eigenspannungen in die Ermüdungsfestigkeitsvorhersage mit ein. Die numerische Nachstellung des Aufbauprozesses der Proben und die daraus resultierenden Eigenspannungen ergaben bei drei Serien eine durchschnittliche Abweichung von 29 % im Vergleich zu experimentell evaluierten Eigenspannungen. Bei einer Serie kommt es zu einer Abweichung von mehr als einem Faktor drei. Daraus lässt sich ableiten, dass genauere Parameter des realen Herstellungsprozesses von Nöten sind, um noch genauere Ergebnisse zu erreichen. Bei der Gegenüberstellung der Abschätzungsmethoden konnte das lokale Konzept mit der geringsten durchschnittlichen Abweichung von -8 % zu den experimentell ermittelten Festigkeiten aufzeigen. Das globale Konzept hat mit dem Einfluss der experimentell ermittelten Eigenspannungen eine durchschnittliche Abweichung von -16 % und mit den numerisch ermittelten Eigenspannungen einen Wert von -18 %. Somit führen beide Methoden zu einer konservativen Abschätzung der Ermüdungsfestigkeit für additiv gefertigte Strukturen, die eine as-built Oberfläche aufweisen.
Titel in ÜbersetzungErmüdungsfestigkeitsbewertung additiv gefertigter Strukturen aus 17-4PH Stahl unter Berücksichtigung der Oberflächentopographie und des Eigenspannungszustandes
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Grün, Florian, Betreuer (intern)
  • Schneller, Wolfgang, Mitbetreuer (intern)
Datum der Bewilligung25 Juni 2021
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2021

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 18-02-2026

Schlagwörter

  • SLM
  • 17-4PH

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