Oberflächenveredelung durch kontrolliertes Kugelstrahlen

Innerhalb des Fraunhofer Innovationsclusters „Life Cycle Engineering für Turbomaschinen – LCE“ entwickelt ein Konsortium Brandenburger und Berliner Unternehmen und Forschungsinstitute eine Prozesskette für die additive Fertigung hochkomplexer Turbinenbauteile (Projekt „ProFeX“). Das Kugelstrahlen ist dabei eine Schlüsseltechnologie, um die hohen Qualitätskriterien der Industrie zu erfüllen und das Potential der additiven Fertigungstechnologien auszuschöpfen. Warum kontrolliertes Kugelstrahlen? Im Bereich der additiven Technologien ist das Selektive Laserstrahlschmelzen wegen seiner Vielseitigkeit und Anwendungspotentiale insbesondere aufgrund der möglichen Herstellung komplexer, metallischer Komponenten hervorzuheben. Eine Herausforderung additiv hergestellter Bauteile sind verfahrensbedingt sehr raue Oberflächen. Diese wirken sich negativ auf die Dauerfestigkeitseigenschaften der Komponenten aus. Mit dem kontrollierten Kugelstrahlen können sowohl Oberflächen geglättet als auch die Dauerfestigkeit signifikant erhöht werden. Angesichts der häufig sehr komplexen Geometrien additiver Bauteile sind herkömmliche, mechanische Oberflächenbearbeitungsverfahren, wie das Schleifen, Drehen oder Fräsen infolge der schlechten Zugänglichkeit nur unter hohem Aufwand möglich. Hier bietet das kontrollierte Kugelstrahlen einen entscheidenden Vorteil. Die Metal Improvement Company (MIC) als Tochter der Curtiss Wright Corporation mit ihrer Niederlassung in Brandenburg bietet den Service des kontrollierten Kugelstrahlens sowohl für die Bearbeitung von Einzelteilen als auch von Klein- und Großserien an. Erfahrungen bestehen unter anderem auf den Gebieten der Behandlung von Kraftwerkskomponenten und Chemieanlagen sowohl bei der Neuanfertigung als auch auf dem Gebiet der Reparatur oder Maintenance. Dank der umfangreichen Erfahrungen der MIC im Bereich der Luftfahrttechnik, insbesondere auf dem Gebiet der Bearbeitung von Triebwerkskomponenten und Turbomaschinen, bringt sie auch hier umfangreiches KnowHow in das Projekt mit ein. Das Verfahren des kontrollierten Kugelstrahlens Das kontrollierte Kugelstrahlen ist ein Kaltbearbeitungsverfahren, bei dem die Bauteiloberfläche mit einem kugelförmigen Strahlmittel, wahlweise Kugeln aus Metall, Glas oder Keramik, gezielt bestrahlt wird. Die Partikel treffen mit hoher Energie auf die Bauteiloberfläche, was zu einer plastischen Verformung dieser, sowie der Einbringung oberflächennaher Druckeigenspannungen führt. Im oberflächennahen Bereich kommt es durch die dabei entstehende Kalottenstruktur zu einer Dehnung der Oberflächenschicht. Die tiefer liegenden Werkstoffschichten wirken diesen gedehnten und plastisch verformten oberflächennahen Bereichen entgegen, wodurch ein Bestreben des verformten Materials zur Rückkehr in die Ausgangsform erwächst. Dadurch bildet sich in dem Oberflächenbereich eine Schicht kaltverformten Materials mit einer zum Teil hohen Druckeigenspannung. Diese Druckeigenspannungen führen zu einer deutlichen Steigerung der Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegenüber Rissbildung und damit zu einer Steigerung der Dauerschwingfestigkeit. Diese ist insbesondere für dynamisch beanspruchte und sicherheitskritische Turbinenbauteile, welche innerhalb des Projektes „ProFeX“ betrachtet werden, von hoher Bedeutung. Des Weiteren werden durch das kontrollierte Kugelstrahlen die für das SLM-Verfahren charakteristischen Rauheitsspitzen auf den Bauteiloberflächen eingeebnet. Zielsetzung Mittels selektivem Laserstrahlschmelzen hergestellte Komponenten unterscheiden sich in ihren Eigenschaften maßgeblich von konventionell gefertigten Bauteilen. Vor dieser