Integral lightweight design of gears via laser beam melting
Production Automation and Assembly Technology
Final Report Abstract
Das Ergebnis des DFG-Forschungsvorhabens „Integraler Leichtbau bei Zahnrädern mittels Laserstrahlschmelzen“ wird im Folgenden zusammengefasst. Motivation: Die additive Fertigung durch Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) ermöglicht die Herstellung von Bauteilen und Bauteilstrukturen, welche durch konventionelle Herstellung nicht einfach darstellbar sind. Die Herstellung von additiv gefertigten Zahnrädern soll als Nachweis zur Realisierung von präzisen, hochbelasteten Bauteilen dienen. Die erfolgreiche Etablierung einer Prozesskette sowie von Festigkeitskennwerten für additiv gefertigte Zahnräder dient als Grundlage zur Anwendung und Weiterentwicklung der Fertigungsart PBF-LB/M und des Werkstoffs 16MnCr5. Inhalt: Es wurden Prozessparameter zur reproduzierbaren und hochqualitativen Verarbeitung des Einsatzstahls 16MnCr5 als Pulver im PBF-LB/M-Prozess herausgearbeitet. Es wurden topologisch und bionisch optimierte Leichtbaustrukturen auf verschiedene Zahnräder im Bereich der Nabe angewandt. Es wurde folgende Prozesskette zur Herstellung realisiert: Additive Fertigung verschiedener Zahnradgeometrien, Spannungsarmglühen, Trennen von der Bauplatte, Weichbearbeitung zur Beseitigung der Supportstrukturen, Wärmebehandlung, Reinigungsstrahlen, Hartfeinbearbeitung von Stirnseiten, Bohrung und Zahnflanken. Prüfräder zur Untersuchung der Zahnfußtragfähigkeit erhielten teilweise eine Oberflächenbehandlung in Form eines chemischen Polierens sowie grundsätzlich keine Hartfeinbearbeitung. Es wurden folgende versuchsbegleitende Untersuchungen durchgeführt: Zugversuche an Begleitproben, Bestimmung der Dichte, chemischen Zusammensetzung und Oberflächenrauheit, Analyse des Gefüges durch metallographische Schliffe, 3D-Vermessung der Prüfräder. Es wurden folgende Untersuchungen zur Tragfähigkeit durchgeführt: Statische Gestaltfestigkeit, dynamische Zahnfußtragfähigkeit und dynamische Zahnflankentragfähigkeit gegen Grübchen. Ergebnisse: Es gelang die reproduzierbare und hochqualitative Herstellung von additiv gefertigten Zahnrädern mit unterschiedlichen Leichtbaustrukturen. Die gesamte Prozesskette funktioniert, sodass industriell einsetzbare Zahnräder erfolgreich hergestellt werden können. Es wurden zahlreiche Erkenntnisse im Rahmen der versuchsbegleitenden Untersuchungen erlangt: Die relative Dichte der additiv gefertigten Verzahnungen beträgt ρrel > 99,7 %. Die chemische Zusammensetzung ändert sich während des PBF-LB/M-Prozesses (-17 Ma.-% Kohlenstoffgehalt). Verflüchtigende Elemente können zu bestehendem Pulver hinzulegiert oder direkt im Ausgangspulver vorgehalten werden. Die Oberflächenrauheit ist mit einem durchschnittlichen Messwert von Rz = 60 μm deutlich höher als bei konventionell hergestellten Zahnrädern. Die Oberflächenrauheit konnte beispielsweise durch chemisches Polieren auf einen durchschnittlichen Messwert von Rz = 35 μm reduziert werden. Das Gefüge ist bis auf eine vermehrte Porosität sowie Einschlüsse durch Fremdmaterial vergleichbar mit Gefügen von schmelzmetallurgisch hergestellten Zahnrädern. Hinsichtlich der Tragfähigkeiten konnten folgende Ergebnisse erarbeitet werden: Die statische Gestaltfestigkeit wird von allen Prüfrädern mit verschiedenen Leichtbaustrukturen bis zu einem maximalen Prüfmoment von T Prüf,max = 1.200 Nm gewahrt. Die dynamische Zahnfußtragfähigkeit gegen Zahnfußbruch liegt mit Dauerfestigkeitskennwerten zwischen dem Bereich der unteren Werkstoffqualität MQ und der mittleren Werkstoffqualität ML. Die dynamische Zahnflankentragfähigkeit gegen Grübchen liegt mit Dauerfestigkeitskennwerten zwischen den Werkstoffqualitäten MQ und ME. Für die untersuchten Prüfräder mit Leichtbaunaben konnten Masseeinsparungen von bis zu 45 % erreicht werden. Ausblick: Die Ergebnisse lassen Potenzial in folgenden Forschungsfeldern vermuten: Optimierung der Leichtbaustrukturen und Verbesserung der Oberflächenqualität im Zahnfußbereich. Weiterhin sind folgende, aufbauende Forschungsfelder denkbar: Lokale Anpassung der Legierungszusammensetzung zum Einsparen der Aufkohlung und optimierte Recyclingstrategien für Pulver. Die Bearbeitung des Forschungsvorhabens war erfolgreich und hat zahlreiche, neue Erkenntnisse zur additiven Fertigung leichtbauoptimierter Zahnräder geliefert.
Publications
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2021. Influence of Part Geometry and Feature Size on the Resulting Microstructure and Mechanical Properties of the Case Hardening Steel 16MnCr5 processed by Laser Powder Bed Fusion, Procedia CIRP 104, p.726-731
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