Residual Stresses and Warpage: Hole Drilling and XRD Diffractometry
Measuring residual stresses in metal AM: incremental hole drilling (ASTM E837), X-ray diffraction (sin2psi XRD), neutron diffraction, and thermal stress relief.
Thermal gradients in metal AM generate severe residual stress fields. Incremental hole drilling (ASTM E837) and X-ray diffraction (sin2psi) quantify stress profiles to calibrate FE simulations.
- 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.
Technical Specifications & Comparison Matrix
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 |
The sin2-psi Principle in X-Ray Diffractometry
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.
Incremental High-Speed Hole Drilling per 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.
Mitigation: Island Scanning and Substrate Preheating
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.
Frequently Asked Questions (FAQ)
Wann müssen Eigenspannungen gemessen werden?
Führt das Abtrennen von der Bauplatte zu Verzug?
Was ist der Cantilever-Verzugstest?
Find the Right Additive Manufacturing Technology or System
Welding3D combines technological expertise with industrial machine solutions. Use our Technology Finder for structured process orientation or request targeted machine mediation for this technology.