Verursacht die HIP-Behandlung eine Verformung des Bauteils?

Aus Sicht von Fertigung und Ingenieurwesen ist das Heißisostatische Pressen (HIP) ein Nachbearbeitungsverfahren, das darauf ausgelegt ist, die Materialintegrität zu verbessern und nicht Verformung zu verursachen. Dennoch besteht ein potenzielles Risiko für Verzug, wenn das Bauteil erhebliche geometrische Asymmetrien, dünne Wände oder vorhandene Eigenspannungen aufweist. Wird HIP korrekt auf ein entsprechend ausgelegtes Bauteil angewendet, führt es in der Regel zu minimalen, vorhersehbaren Maßänderungen, die meist innerhalb der Toleranzen liegen, die durch anschließende Präzisionsbearbeitung erreichbar sind.

Der HIP-Prozess und seine Zielsetzung

Beim HIP wird ein Bauteil gleichzeitig hohen Temperaturen (oft 70–90 % des Schmelzpunkts des Materials) und hohem Druck (typischerweise 100–200 MPa) unter Verwendung eines inerten Gases wie Argon ausgesetzt. Das Hauptziel besteht darin, interne Defekte wie Mikroporosität und Hohlräume zu beseitigen, die häufig bei Guss- oder DMLS-3D-gedruckten Bauteilen auftreten. Das Material fließt und diffundiert, wodurch die Poren kollabieren und eine vollständig dichte, isotrope Mikrostruktur entsteht. Dies verbessert mechanische Eigenschaften wie Ermüdungsfestigkeit, Bruchzähigkeit und Duktilität erheblich – entscheidend für Komponenten in anspruchsvollen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt sowie Energieerzeugung.

Wann und warum Verformung auftreten kann

Obwohl der isostatische Druck theoretisch gleichmäßig aus allen Richtungen wirkt und damit Verzug verhindert, können mehrere Faktoren zu Maßänderungen führen:

1. Eigenspannungen aus vorherigen Prozessen: Bauteile mit hohen Restspannungen aus vorherigen Fertigungsschritten wie CNC-Bearbeitung oder SLM-3D-Druck können während des thermischen HIP-Zyklus Spannungsabbau erfahren, was zu Verzug führt. Eine Spannungsarmglühung vor dem HIP wird oft empfohlen, um dies zu verhindern.

2. Ungleichmäßige Wandstärken: Komponenten mit starken Querschnittsänderungen oder sehr dünnen Bereichen neben massiven Zonen können unterschiedliche Kriechgeschwindigkeiten erfahren. Dünnere Bereiche verformen oder verdichten sich schneller, was zu Biegung oder Durchhang führen kann.

3. Geometrien mit geringer Eigenstabilität: Lange, schlanke Strukturen oder Ausleger können bei hohen HIP-Temperaturen unter ihrem Eigengewicht nachgeben oder sich verformen, selbst bei isostatischem Druck.

4. Oberflächenverbundene Porosität: Wenn Poren an der Oberfläche offen liegen, gleicht sich der Druck innerhalb und außerhalb der Pore aus, wodurch sie nicht geschlossen wird. Dies verursacht keine groben Verformungen, kann jedoch Oberflächendefekte hinterlassen, die durch anschließendes CNC-Fräsen oder Schleifen beseitigt werden müssen.

Minimierung des Verformungsrisikos

Ein erfolgreiches HIP-Verfahren ohne schädliche Verformung hängt von integriertem Design und Prozesskontrolle ab:

• Konstruktionsgerechtes HIP-Design: Eine gleichmäßige Wandstärke und sanfte Übergänge reduzieren das Risiko erheblich. Für die additive Fertigung ist dies ein zentrales Prinzip des DFAM (Design for Additive Manufacturing).

• Prozessoptimierung: Präzise Steuerung des HIP-Zyklus (Druck, Temperatur, Aufheizrate und Haltezeit) angepasst an die jeweilige Legierung (z. B. Inconel 718 oder Ti-6Al-4V) ist entscheidend, um Verdichtung ohne übermäßiges Kriechen zu erreichen.

• Vor- und Nachbehandlung: Wie erwähnt, ist ein vorgelagerter Spannungsarmglühzyklus sehr vorteilhaft. Darüber hinaus ist es gängige Praxis, nach dem HIP eine Endbearbeitung durchzuführen, um enge Maßtoleranzen und die gewünschte Oberflächengüte zu erzielen.

Technisches Fazit

Das HIP-Verfahren ist aufgrund seines isostatischen Charakters nicht die primäre Ursache für Bauteilverformung. Die Hauptursache liegt meist in der thermischen Entspannung vorhandener Spannungen aus früheren Fertigungsstufen oder in unzureichendem Design. Für kritische Komponenten führt ein ganzheitlicher Ansatz – bestehend aus optimiertem Design, vorgelagerter Spannungsarmglühung und präziser Prozessparametrierung – zu einem dichten, hochwertigen Bauteil mit minimalen und kontrollierbaren Maßänderungen, die durch abschließende Präzisionsbearbeitung korrigiert werden können.