Laser-Shock-Peening: Strukturverbesserung mittels Hochleistungslichtimpulsen

Längst werden nicht nur Kunststoffe, sondern auch Werkstücke aus Metall durch den 3D-Druck, oder präziser gesagt der additiven Fertigung, durch das sukzessive Schichtweise hinzufügen von Material hergestellt. Dies bietet einige Vorteile gegenüber subtraktiven Verfahren, bei denen von einem Metallstück Material entfernt wird, um eine bestimmte Form zu erreichen, etwa durch Fräsen, Drehen oder Bohren. Durch die additive Fertigung können beispielsweise individuelle Prototypen effizient hergestellt werden und zudem produziert es weniger Abfälle gegenüber subtraktiven Verfahren. Der Metall-3D-Druck kann auch durch bereits bestehende Maschinen, wie Laserstrahlschweißanlagen, durchgeführt werden. Das Verfahren wird stetig weiterentwickelt, so dass auch neue Legierungen Anwendung finden. „Aber das Wissen über den Einfluss von Mikrostruktur und Eigenspannung auf das Ermüdungsverhalten additiv gefertigter Bauteile ist bisher noch gering“, sagt Benjamin Klusemann, Professor für Local Engineering, insbesondere Process Simulation und Inhaber einer Shared-Professorship mit dem Helmholtz-Zentrum Hereon. Mit seinem neuen Forschungsprojekt „Experimentelle und numerische Untersuchung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens von Eigenspannungsmodifiziertem additiv gefertigten Aluminium-Proben“ möchte er verstehen, wie Laser-Shock-Peening Mikrostruktur und Eigenspannung eines Bauteils, welches additiv hergestellt wurde, beeinflusst. Laser-Shock-Peening ist ein hochmodernes und effizientes Oberflächenbearbeitungsverfahren zur Erzeugung von maßgeschneiderten Eigenspannungszuständen in Bauteilen. Durch einen kurzen hochenergetischen Laserpuls wird ein Plasma erzeugt, welches kurzzeitig einen hohen Druck auf die Oberfläche des Bauteils ausübt. Hierdurch werden oberflächennahe Druckeigenspannungen generiert, die es ermöglichen das Ermüdungsverhalten, also die Lebensdauer der Bauteile, zu erhöhen, oder aber auch dünnwandige Bauteile umzuformen.

Für die Forschungsarbeit im Rahmen des DFG Projektes werden zunächst Aluminium-Proben mittels einem sehr energiereichen additiven Verfahren, dem drahtbasierten Laserauftragsschweißen, hergestellt. „Mit dem Laser-Shock-Peening bringen wir gezielt Druckeigenspannung ins Material, um die Ausbreitung eines möglichen Risses zu verlangsamen. Die Einsatzzeit von Bauteilen kann hierdurch erhöht werden“, erklärt Benjamin Klusemann. Der Ingenieur wählt einen kombinierten Ansatz aus Experiment und Simulation, um die Einflüsse des Laser-Shock-Peenings besser zu verstehen. Zunächst werden die Materialeigenschaften der additiv gefertigten Proben vor und nach der Behandlung mit dem Laser-Shock-Peening im Labor untersucht. Zusätzlich untersucht Benjamin Klusemann die physikalischen Mechanismen in den Prozessen mithilfe numerischer Prozesssimulationen entlang der gesamten Prozesskette. Die Experimente werden in den Laboren der Abteilung Laser-Materialbearbeitung und Strukturbewertung des Helmholtz-Zentrums Hereon in Geesthacht durchgeführt. „Besonderer Dank gilt daher an meine Kollegen am Hereon, ohne die ich diese Forschung nicht durchführen könnte“, sagt Benjamin Klusemann.

Das Projekt startete Anfang Dezember und wird von der DFG mit knapp 300 000 Euro gefördert.

Zudem arbeitet der Ingenieur in einem weiteren Projekt mit dem Laser-Shock-Peening. Das Projekt „PEENCOR“ startete Mitte 2020. Bei dem anwendungsorientierten Verbundprojekt mit den Partnern ZAL GmbH, FormTech GmbH und dem Helmholtz-Zentrum Hereon wird ein hochenergetischer gepulster Laser verwendet, um gekrümmte Flugzeugbauteile aus Titan autonom umzuformen und zu richten. Umformen mittels dem Laser-Shock-Peening nennt sich Laser-Peen-Forming. „Treten ungewünschte Verformungen während der Fertigung auf, muss das Bauteil nicht unbedingt aussortiert werden, sondern die Abweichungen können dank Laser-Peen-Forming gezielt korrigiert werden“, erklärt Benjamin Klusemann. Mithilfe von Experimenten, Simulations- und KI-Ansätzen sollen Verfahrensabläufe verbessert und automatisiert werden.

Das PEENCOR-Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des LuFo VI-1-Programms mit knapp 240 000 Euro an der Leuphana gefördert.