Qualität & Post-Processing W3D-QMS-22 ISO/ASTM 52900 Validiert

Eigenspannungen & Verzug: Bohrlochmethode & XRD-Röntgendiffraktion

Messung von Eigenspannungen im 3D-Druck: Bohrlochmethode (ASTM E837), Röntgendiffraktion (sin2psi XRD), Neutronenbeugung, mechanische Kompensation und Verzugsminimierung.

Stand: 2026-03-24 Lesezeit: 10 min Fachredaktion Additive Fertigung
Executive Summary & Technische Kernaussagen Normativer Status: Valide

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.
Messverfahren
Bohrloch (ASTM E837) / XRD / Neutronen
Spitzen-Zugspannung
bis zu 80 - 100 % der Streckgrenze
Tiefe Bohrloch
inkrementell bis 2.0 mm
Röntgen-Messtiefe
5 - 30 µm (oberflächennah)

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
01

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.

02

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.

03

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.

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Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Wann müssen Eigenspannungen gemessen werden?
Bei der Prozessqualifizierung neuer Geometrien oder Werkstoffe, um sicherzustellen, dass die Spannungen nach dem Glühen unter 15 % der Streckgrenze gesunken sind.
Führt das Abtrennen von der Bauplatte zu Verzug?
Ja! Wenn das Bauteil nicht vor dem Abtrennen spannungsarm geglüht wird, schlägt die gespeicherte Dehnungsenergie schlagartig in Verformung um: Das Bauteil krümmt sich bananenförmig.
Was ist der Cantilever-Verzugstest?
Ein einfacher industrieller Schnelltest: Es wird ein C-förmiger Steg (Cantilever) gedruckt. Nach einem Sägeschnitt an der Unterseite wird die Aufbiegung mit einer Fühlerlehre gemessen – je weiter der Spalt aufklafft, desto höher waren die Eigenspannungen.

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