KUNDENHERAUSFORDERUNG
Produkte und Komponenten, die mit additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden, haben oft komplexe Formen mit variabler Wandstärke und dünnen Abschnitten, die schwer zu prüfen sind. Der Versuch, mehrere Muster in Standardgröße der in diesen Produkten oder Komponenten verwendeten Materialien zu erstellen, ist zeitaufwendig und teuer. Es kann auch problematisch sein, weil unterschiedliche thermische Verläufe während der Herstellung auftreten können – ein Größeneffekt, bei dem dünne Wände im Bereich von Zehntelmillimetern andere Eigenschaften aufweisen als die eines größeren Prüflings. Zur Beurteilung der tatsächlichen mechanischen Eigenschaften des Materials, müssen die Proben repräsentativ sein, d. h. sie müssen aus einem realen Bauteil entnommen oder an der gleichen Stelle mit der gleichen Orientierung und im gleichen Größenbereich hergestellt werden. Aus all diesen Gründen kann die Prüfung kleiner Proben eine genauere Darstellung der Materialeigenschaften liefern.
COMTES FHT, ein privates Forschungsinstitut in der Tschechischen Republik, verfeinert seit mehr als 15 Jahren die Prüfverfahren für kleine Proben. Prof. Ing. Jan Džugan, F&E Director bei COMTES FHT, gründete das mechanische Prüflabor im Jahr 2006, und die Prüfmethoden für kleine Abmessungen waren das erste langfristige Forschungsprojekt am Institut. Derzeit leitet Džugan die Bemühungen, die Anforderungen an die Prüfung kleiner Proben in Normen für einachsige Prüfungen nach ASTM E28 und für die additive Fertigung nach ASTM F42 zu implementieren. Seine betreute Doktorarbeit sowie viele seiner wissenschaftlichen Arbeiten befassen sich mit dem Testen kleiner Prüflinge.
„Bevor wir näher auf kleine Prüflinge eingehen, sollten wir den Begriff nach unserer Auffassung definieren“, sagt Džugan. „Da die Standardgrößen der Prüflinge für jeden Test unterschiedlich sind, können wir grob sagen , dass das Volumen der kleinen Prüflinge etwa 100 Mal kleiner ist. Auf dem Gebiet der Prüfung von Kleinteilen gibt es grundsätzlich zwei Gruppen von Prüfungen – direkte Prüfungen mit verkleinerten Prüflingen oder indirekte Methoden, die eine Größe messen, die durch eine spezifische Korrelation mit Normprüfungen verbunden ist. Wir bei COMTES FHT sind eher an der ersten Gruppe von Testmethoden interessiert.“
Die ersten Forschungen von COMTES FHT auf dem Gebiet der Testmethoden für kleine Prüflinge konzentrierten sich auf Small Punch Tests (SPTs), mit denen Džugan bereits Erfahrungen hatte. „Nach einiger Zeit haben wir uns jedoch gefragt, warum wir SPTs durchführen sollten, wenn wir Zugversuche am gleichen Materialvolumen durchführen könnten“, berichtet Džugan. „Dies erwies sich als erfolgreicher Schachzug, und wir entwickelten Testverfahren, die eher auf der Miniaturisierung der Standardproben als auf der Korrelation zwischen Proben verschiedener Belastungsarten und Dehnungsraten beruhen. Im Laufe der Jahre bestand unser Team aus den folgenden Forschern: Dr. Pavel Konopík, Dr. Eva Chvostová, Dr. Radek Procházka, Martin Rund und Jindrich Vokac entwickelten oder übernahmen Prüfmethoden zur Bestimmung der Zugeigenschaften, der schlagbezogenen Übergangstemperaturbestimmung, Bruchzähigkeit, Prüfungen der Ermüdungsrisswachstumsrate, Low- und High-Cycle-Fatigue-Tests sowie Kriechversuche. Die meisten dieser Tests können wir jetzt auch unter nicht umgebungsgetreuen Testbedingungen durchführen.“
Obwohl die Prüftechniken für kleine Prüflinge ursprünglich für die Bewertung der Restlebensdauer in der Energiewirtschaft entwickelt wurden, stellte sich heraus, dass die auf kleinen Prüflingen basierenden Techniken besonders für die Prüfung von Materialien geeignet sind, die mit additiver Fertigung hergestellt wurden.
PRÜFANFORDERUNGEN
Die Prüfung kleiner Prüflinge aus additiv gefertigten Materialien stellt besondere Herausforderungen dar, die einige Anforderungen mit sich bringen:
Lastrahmen: Das Testen von Mini-Proben erfordert niedrige Geschwindigkeiten bei Standard-Dehnungsraten, daher ist die Stabilität bei diesen sehr langsamen Aktuatorgeschwindigkeiten entscheidend.
Dehnungsmessung: Mechanische Clip-On-DMS passen in der Regel nicht zwischen die Griffe, daher wird die optische Dehnungsmessung bevorzugt. COMTES FHT verwendet sowohl 2- als auch 3D-DIC-Lösungen. Džugan sagt: „Bei kleinen flachen Objekten und eher geringen Dehnungen funktioniert 2D-DIC gut und man braucht nicht so viel Computerleistung.“
Ausrichtung: Die aktuelle Norm ASTM E1012 ist nicht vollständig auf die Ausrichtung von kleinen Prüflingen für die Zugprüfung anwendbar. COMTES FHT setzt derzeit DIC-Systeme ein, um die Prüflingsausrichtung während des Greifens und Beladens zu überprüfen und zu justieren, und geht davon aus, dass eine weitere Prozessentwicklung erforderlich sein wird, um repräsentative Parameter für die Ausrichtung von kleinen Prüflingen festzulegen.
Greifen: „Es gibt derzeit keine kommerziell erhältlichen Greifer für Zugprüfungen von kleinen Prüflingen, also mussten wir sie selbst entwickeln“, erklärt Džugan. „Das richtige Einspannen ist ein kritischer Punkt, da es zu einer Plastifizierung des Prüflings kommen kann, daher muss dies mit besonderer Sorgfalt geschehen.“
MTS-LÖSUNG
COMTES FHT setzt seit 2006 MTS-Lösungen in ihrem Labor ein. Ihre erste MTS-Maschine war ein kundenspezifisches System, das für die thermomechanische Simulation von Metallumformungsprozessen entwickelt wurde. Ihr zweites MTS-System war ein spezielles Hochgeschwindigkeits-Bionix®-System mit einem Axial-/Torsions-Hauptantrieb plus einem Seitenantrieb. Aufgrund seiner Vielseitigkeit, Genauigkeit und Leistungsfähigkeit wurde dieses System für einen Großteil der Entwicklung von Testmethoden für kleine Prüflinge verwendet. Džugan erklärt: „An diesem System haben wir sowohl quasi-statische als auch dynamische Zugtests durchgeführt (die Aktuatorgeschwindigkeit des Systems beträgt über 1m/s). Wir haben auch unsere ersten Zugversuche mit induktiven Erwärmungseinheiten sowie Ermüdungstests bei niedrigen und hohen Zyklen bei Raum- und erhöhten Temperaturen durchgeführt. Mit diesem System haben wir auch Bruchzähigkeitstests an Miniproben durchgeführt. Nachdem der größte Teil der Entwicklung abgeschlossen war, beschafften wir spezielle Maschinen für diese Tests.“
KUNDENVORTEILE
Die Vorteile des Testens kleiner Prüflinge aus additiv gefertigten Materialien sind unübersehbar. Die Miniproben erleichtern die genaue Beurteilung der lokalen Eigenschaften. Die kleinen Prüflinge sparen Kosten, da sie weniger Material und eine minimale Beschichtungszeit benötigen. Die Methode mit kleinen Prüflingen ist auch ideal für Fälle, in denen das Versuchsmaterial knapp ist.
Heute ist COMTES FHT führend in der Anwendung von Tests von Prüflingen aus additiv gefertigten Materialien und freut sich über die Zusammenarbeit mit den MTS-Prüfsystemen, um ihre Prüfziele zu erreichen. Džugan sagt: „Ich arbeite seit mehr als 25 Jahren mit MTS in Europa und Asien und habe sehr positive Erfahrungen gemacht, weshalb ich versucht habe, eine engere Beziehung zu MTS im Bereich der Entwicklung aufzubauen. Wir haben bereits sehr gute Beziehungen zu den derzeitigen lokalen Vertretern sowie zu den MTS-Mitarbeitern in Berlin und Minneapolis. Ich schätze die Unterstützung von MTS und die Stabilität und Zuverlässigkeit ihrer Testgeräte sehr und freue mich auf die zukünftige Zusammenarbeit.“
