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
- 2018. Examination of the Processability of 16MnCr5 by Means of Laser Powder Bed Fusion, Procedia CIRP, 74, p. 76-81
Schmitt, M., Schlick, G., Seidel, C., Reinhart, G.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.08.041) - 2019. Framework and strategies for the lightweight construction of AM gears for the automotive industry, Proceedings Rapid.Tech Fachkongress
Schmitt, M., Jansen, D., Bihlmeir, A., Winkler, A. et al.
(See online at https://doi.org/10.3139/9783446462441.007) - 2020. Influence of Baseplate Heating and Shielding Gas on Distortion, Mechanical and Case hardening Properties of 16MnCr5 fabricated by Laser Powder Bed Fusion, Procedia CIRP 93, p. 581-586
Schmitt, M., Kempter, B., Inayathulla, S., Gottwalt, A. et al.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.03.089) - 2020. Influence of Support Structures on the Microstructure and Mechanical Properties of Case Hardening Steel in Laser Powder Bed Fusion, Proceedings of the Machining Innovations Conference (MIC), p.42-47
Schmitt, M., Bösele, M., Schlick, S., Reinhart, G.
(See online at https://doi.org/10.2139/ssrn.3724368) - 2020. Laser-based powder bed fusion of 16MnCr5 and resulting material properties, Additive Manufacturing Journal, 35, 101372
Schmitt, M., Kamps, T., Siglmueller, F., Winkler, J. et al.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101372) - 2020. Parameter identification approach for support structures in laser powder bed fusion and analysis of influencing factors, Procedia CIRP, 94, p. 260-265
Schmitt, M., Kempter, B., Schlick, G., Reinhart, G.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.049) - 2021. Carbon Particle In-Situ Alloying of the Case-Hardening Steel 16MnCr5 in Laser Powder Bed Fusion, Metals 11, 896
Schmitt, M., Gottwalt, A., Winkler, J., Tobie, T. et al.
(See online at https://doi.org/10.3390/met11060896) - 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
Schmitt, M., Gerstl, F., Boesele, M., Horn, M. et al.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.11.122)
