Eigenspannungen & Verzug: Bohrlochmethode & XRD-Röntgendiffraktion
Messung von Eigenspannungen im 3D-Druck: Bohrlochmethode (ASTM E837), Röntgendiffraktion (sin2psi XRD), Neutronenbeugung, mechanische Kompensation und Verzugsminimierung.
Makroskopische und mikroskopische Eigenspannungen (Residual Stresses) sind das unvermeidliche Resultat extremer Abkühlraten und starker Temperaturgradienten im Schichtbauverfahren. Ungelöste Eigenspannungen führen zu Verzug (Warpage), Rissbildung, Maßabweichungen oder im schlimmsten Fall zur Delamination des Bauteils von der Bauplatte während des Drucks. Dieser Leitfaden erläutert die normativen Messverfahren zur Bestimmung von Eigenspannungstiefenprofilen: Von der inkrementellen Bohrlochmethode (nach ASTM E837) über oberflächennahe Röntgendiffraktion (sin2-psi-Verfahren) bis hin zur zerstörungsfreien Neutronenbeugung.
- Röntgendiffraktion (sin2-psi-Verfahren) misst Gitterdehnungen zerstörungsfrei in den obersten 10 bis 30 µm.
- Die inkrementelle Bohrlochmethode (ASTM E837) liefert Tiefenprofile der Eigenspannungen bis 2 mm Tiefe.
- Zugeigenspannungen konzentrieren sich an der Bauteiloberfläche, Druckeigenspannungen im Bauteilkern.
- Validiert thermomechanische FEM-Schwindungs- und Verzugssimulationen vor dem ersten Druckjob.
Technische Kennwerte & Verfahrensvergleich
ISO/ASTM 52900| Verfahren | Röntgendiffraktion (XRD) | Bohrlochmethode (Hole Drilling) | Neutronenbeugung |
|---|---|---|---|
| Zerstörungsgrad | Vollständig zerstörungsfrei | Mikro-zerstörend (2 mm Bohrung) | Vollständig zerstörungsfrei |
| Eindringtiefe | Sehr gering (5 - 30 µm) | Moderat (0.05 - 2.0 mm) | Sehr tief (bis zu 50 mm Vollmaterial) |
| Messbare Spannungsart | Gitterdehnungen (1., 2. & 3. Art) | Makroskopische Spannungen (1. Art) | Volumenspannungsfeld 3D |
| Verfügbarkeit | Industrielabor / mobil | Standard-Werkstofflabor | Großforschungsanlagen (Forschungsreaktor) |
| Messdauer pro Punkt | 15 - 45 Minuten | 30 - 60 Minuten | Mehrere Stunden |
Das sin2-psi-Verfahren der Röntgendiffraktion
Ein monochromatischer Röntgenstrahl trifft unter variablen Kippwinkeln (Psi) auf die Metalloberfläche. Gitterdehnungen infolge elastischer Eigenspannungen verändern den Netzebenenabstand d nach der Braggschen Gleichung (lambda = 2*d*sin(theta)). Trägt man die Gitterdehnung über sin2(Psi) auf, ergibt die Steigung der Geraden direkt den Spannungszustand: Eine positive Steigung belegt makroskopische Zugspannungen; eine negative Steigung weist Druckspannungen nach.
Inkrementelles Hochgeschwindigkeits-Bohren nach ASTM E837
Auf das Bauteil wird eine spezielle Dehnungsmessstreifen-Rosette (DMS-Rosette) geklebt. Eine luftgetriebene Hochgeschwindigkeitsturbine (ca. 400.000 U/min) fräst mit einem invertierten Fräser schrittweise in 0.05-mm-Schritten eine kleine Bohrung (Durchmesser 1.6 bis 2.0 mm) in das Spannungsfeld. Durch das Entfernen des Materials entspannt sich das umgebende Gefüge elastisch. Die DMS messen die Relaxation; aus den Dehnungen berechnet die Software das Tiefenprofil der Hauptnormalspannungen.
Verzugsminimierung durch Scanstrategien und Vorheizung
Lange ununterbrochene Scanvektoren akkumulieren Spannungen über die Bauteillänge. Durch die Aufteilung des Baufelds in kleine 5 x 5 mm große "Inseln" (Island / Checkerboard Scanning) mit jeweils um 90° gedrehter Vektorrichtung heben sich die Spannungsvektoren gegenseitig auf. In Kombination mit Bauplattenvorheizung lassen sich Verzugskräfte um bis zu 80 % reduzieren.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Wann müssen Eigenspannungen gemessen werden?
Führt das Abtrennen von der Bauplatte zu Verzug?
Was ist der Cantilever-Verzugstest?
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