Testverfahren im Test

Mitautor Tobias Neuwirth justiert den Aufbau für die Neutronen-Gitterinterferometrie am Instrument ANTARES in der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München.
Bild: Bernhard Ludewig / TUM

Im Vergleich erkennen Neutronen die meisten Defekte in additiv gefertigten Bauteilen.

Bei der Herstellung von Turbinen stoßen herkömmliche Verfahren oft an ihre Grenzen. Komplexe Bauteile mit filigranen Strukturen und geschwungene Formen werden daher immer häufiger durch die Additive Fertigung hergestellt. Um Defekte im Bauteilinneren zu finden, sind verschiedene Testverfahren im Einsatz.

Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) hat nun mehrere Verfahren geprüft. Die beste Fehlererkennung erzielten dabei Neutronen der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II).

Das Laser-Strahlschmelzen ist ein gängiges additives Fertigungsverfahren für Turbinenschaufeln mit Kühlkanälen im Inneren. Dabei schmilzt ein Laser eine dünne Lage Metallpulver an bestimmten Stellen auf. Schicht für Schicht entsteht so das Bauteil in einem Bett aus Pulver. Wie bei einer archäologischen Ausgrabung wird das Bauteil anschließend freigelegt, und das übrige Pulver kann für das nächste Bauteil wiederverwendet werden.

Doch Prozess-Instabilitäten können zu Defekten im Bauteil führen und so die Festigkeit des Bauteils mindern. Typische Defekte sind Poren und Risse. Einzelne Schichten können sich sogar teilweise oder ganz voneinander lösen.

Bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, wie der Turbinenschaufel, können solche Defekte schwerwiegende Folgen haben. „Kritische Bauteile müssen wir daher nach dem Herstellungsprozess untersuchen – und das natürlich zerstörungsfrei“, erklärt Cara Kolb vom Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TUM.

Ein Blick ins Innere

Für ihre Versuche stellten die Forschenden Prüfkörper mit Defekten verschiedener Größe und Tiefenlage her und versuchten, diese mit zerstörungsfreien Prüfverfahren zu detektieren. Zum Einsatz kamen dabei die Aktive Infrarot-Thermografie, Ultraschall, Röntgen-Computertomographie und die Neutronen-Gitterinterferometrie.

An der Forschungs-Neutronenquelle führte der Doktorand Tobias Neuwirth die Untersuchungen am Instrument ANTARES durch. „Wir testen Bauteile mit Neutronengitterinterferometrie. Dabei beobachten wir ortsaufgelöst die Streuung und Absorption von Neutronen. Ändert sich diese, gibt das Aufschluss über die Art und die Größe der Defekte“, erklärt er.

Tieferes Eindringen und bessere Auflösung mit Neutronen

Jedes der getesteten Verfahren hat seine Potentiale und Herausforderungen. Neutronengitterinterferometrie ist zwar aufwendig und teurer als die anderen untersuchten Testverfahren, allerdings entdeckt es von allen Verfahren die meisten und die kleinsten Defekte.

„Neutronen können tief in den Werkstoff eindringen und ermöglichen eine hohe Auflösung der inneren Bauteilstruktur. Besonders gut eignen sie sich für Nickelbasislegierungen, die enorm wichtig sind für die Additive Fertigung von Luft- und Raumfahrtstrukturkomponenten“, lautet das Fazit von Cara Kolb.

Die Forschung an Testverfahren, die die Qualität additiv gefertigter Bauteile zerstörungsfrei absichern, ist sehr wichtig. Solche Testverfahren sagen aus, wie wahrscheinlich ein Bauteil im Betrieb versagt. Und mit zunehmendem Einsatz von Additiver Fertigung beispielsweise in Flugzeugen oder Autos, gewinnen auch die Testverfahren an Bedeutung.

Mehr Informationen:

Die Experimente zur Untersuchung der Fähigkeit von Neutronen zur Defektdetektion wurden im FRM II am Instrument ANTARES des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums (MLZ) durchgeführt. CT-Scans stellte die FIT AG, Lupburg, zur Verfügung.

Abkürzungen und Übersetzungen: Aktive Infrarot-Thermografie: active infrared thermography, aIRT; Ultraschall: ultrasonic testing, UT; Röntgen-Computertomographie: X-ray computed tomography, CT; Neutronen-Gitterinterferometrie: neutron grating interferometry, nGI.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Michael Zäh
Technische Universität München
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften
Boltzmannstr. 15, 85748 Garching
Tel.: +49 89 289 15502 – E-Mail: michael.zaeh@iwb.tum.de

Tobias Neuwirth
Technische Universität München
Heinz Maier-Leibnitz Zentrums (MLZ)
Instrument ANTARES
Lichtenbergstr. 1, 85748 Garching
Tel.: +49 89 289 11754 – E-Mail: Tobias.Neuwirth@frm2.tum.de

Originalpublikation:

C. G. Kolb, K. Zier, J.-C. Grager, A. Bachmann, T. Neuwirth, S. Schmid, M. Haag, M. Axtner, F. Bayerlein, C. U. Grosse, M. F. Zaeh
An investigation on the suitability of modern nondestructive testing methods for the inspection of specimens manufactured by laser powder bed fusion
SN Appl. Sci., 3, 713 (2021) – DOI: 10.1007/s42452-021-04685-3

Weitere Informationen:

https://doi.org/10.1007/s42452-021-04685-3 Link zur Originalpublikation
https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/details/37001 Presseinformation auf der TUM-Website
https://www.mw.tum.de/iwb/institut/abteilungen/additive-fertigung/ Website der Forschungsgruppe
https://mlz-garching.de/antares/de Instrument-Website
https://mlz-garching.de/ Website des Heinz Maier-Leibnitz-Zentrums
https://www.frm2.tum.de/frm2/ Website der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz

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