Die additive Fertigung ist ein Verfahren, mit dem metallische Bauteile nahezu beliebiger Geometrie und komplexer Struktur direkt aus 3D-CAD-Daten hergestellt werden können. Dabei bietet sie ein erhebliches Potenzial zur Gewichtsreduzierung durch bionisches Design und optimierte Leichtbauverfahren, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in der Medizintechnik.

Es gibt verschiedene Arten der additiven Fertigung von Metallen. Additive Fertigungsverfahren werden dabei durch das schichtweise Aneinanderfügen von Volumenelementen charakterisiert [1]. Die verschiedenen additiven Fertigungsverfahren können nach dem Ausgangszustand des eingesetzten Werkstoffes in flüssig, fest oder pulverförmig eingeteilt werden [2]. Additive Fertigungsverfahren wie das Laser Pulverbettverfahren (LPBF) gewinnen aufgrund der hohen Designfreiheit und der werkzeuglosen, endkonturnahen Fertigung zunehmend an Bedeutung. Trotz des Potenzials birgt das LPBF-Verfahren einige Herausforderungen, die angegangen werden müssen, um eine gleichbleibende Qualität der Proben zu gewährleisten. 

Beim Pulverbettschmelzen (PBF) wird ein Laser- oder Elektronenstrahl oder eine andere Wärmequelle verwendet, um den gewünschten Bauteilquerschnitt in der auf der Bauplattform verteilten Pulverschicht abzutasten und zu schmelzen. Durch das schichtweise Aufschmelzen des Pulvermaterials und die anschließende Erstarrung entsteht ein charakteristisches, anisotropes Gefüge. Aufgrund dieser Anisotropie, der schnellen Aufheiz- und Abkühlraten und eventuell vorhandener Defekte (z.B. Poren) sind die mechanischen Eigenschaften richtungsabhängig und unterscheiden sich von konventionellen Bauteilen. Dieses Forschungsprojekt demonstriert die Fähigkeit, leichte und komplexe Strukturen von AlSi10Mg-Bauteilen mittels Laser Pulverbettverfahren (LPBF) herzustellen und die Ermüdungseigenschaften von additiv hergestellten AlSi10Mg-Bauteilen zu validieren.

Die Oberflächenqualität der mit LPBF hergestellten Bauteile ist für viele Anwendungen verfahrensbedingt unzureichend, so dass ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt, oft in Form einer Nachbearbeitung, erforderlich ist. Einer dieser Schritte ist das Fräsen, das eingesetzt wird, um die durch die additive Fertigung (AM) entstandenen Oberflächenunregelmäßigkeiten und Toleranzen auszugleichen. Es gibt jedoch auch andere Nachbearbeitungsmethoden wie Drehen, Reiben oder Schleifen. Hier verbessert das Fräsen die Oberflächentopografie, stellt aber einen zeit- und kostenintensiven Zusatzaufwand dar. Darüber hinaus sind die Ermüdungseigenschaften von mit LPBF gefertigten Bauteilen in der Regel schlechter als die von konventionell gefertigten Bauteilen. Der Grund dafür sind ungünstige Eigenspannungen und lokale Volumendefekte.

In diesem Projekt wird gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation (FBK) der RPTU die Nachbearbeitung der gedruckten Bauteile durch kryogene Kühlung untersucht, denn sie bietet das Potenzial, die mechanischen und metallurgischen Eigenschaften innerhalb der Werkstückrandzone zu verändern, z. B. durch das Einbringen von Kaltverfestigung und Druckeigenspannungen. Dies wirkt sich positiv auf das Ermüdungsverhalten der Bauteile aus. Der Einsatz der kryogenen Zerspanung bietet damit die Möglichkeit, in einem einzigen Nachbearbeitungsschritt eine technische Oberfläche zu erzeugen und gleichzeitig die Ermüdungseigenschaften des Bauteils zu verbessern. Mit der kryogenen Nachbearbeitung kann durch die Optimierung der Oberflächenmorphologie eine zusätzliche Wertschöpfung realisiert und den potenziellen Nachteilen des LPBF entgegengewirkt werden.