A 311 - Kurzfassung des Schlussberichts

Werkstofforientierte Optimierung der additiven Fertigungsprozesskette zur Fußfestigkeitssteigerung 3D-gedruckter Zahnräder

Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Forschungsprojekt

Werkstofforientierte Optimierung der additiven Fertigungsprozesskette zur Fußfestigkeitssteigerung 3D-gedruckter Zahnräder (A 311 / S 0025/10252/18)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 01. Januar 2019 bis 30. Juni 2021 

Die additive Fertigung (eng.: Additive Manufacturing, AM), insbesondere von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen, nimmt neben der zerspanenden Fertigung (z.B. Fräsen, Schleifen) und der umformenden Fertigung (z.B. Schmieden, Biegen) eine wichtige Rolle in der Fertigung hochbelasteter Komponenten ein. AM bietet Flexibilität bei der geometrischen Bauteilgestaltung, geringe Rüstzeiten insbesondere bei kleinen Losgrößen und geringe Werkzeugkosten.

Ziel des Forschungsvorhabens war die Ermittlung des Zusammenhangs von Pulverwerkstoffeigenschaften, Prozessparametern und den resultierenden Bauteileigenschaften für die additive Fertigung von Zahnrädern aus dem Einsatzstahl 16MnCr5. Hierfür sollte das additive Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) hinsichtlich des Potenzials zur Prozess- und Bauteiloptimierung untersucht und die resultierende Bauteilqualität (bspw. Oberflächenrauheit und Bauteilmaßhaltigkeit) in den Stand der Technik insbesondere gegenüber der konventionellen Zahnradfertigungskette eingeordnet werden. Die Ziele des Projektes wurden im Projektverlauf in sechs Arbeitspaketen (AP) erreicht.

Zuerst wurde eine Methode zur Charakterisierung und Qualitätskontrolle von Pulverwerkstoffen entwickelt. Dazu wurden auf Grundlage der Erkenntnisse des Vorgängervorhabens FVA Nr. 759 I die für das Prozessergebnis ausschlaggebenden Pulvereigenschaften in einer Pulverspezifikation zusammengefasst und systematisch geprüft (AP1). Die definierten Prüfverfahren waren die nasschemische Analyse, die Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenspektroskopie, die Fließfähigkeitsanalyse, die Korngrößenverteilung, die Schüttdichte sowie die Feuchtigkeitsanalyse. Die Pulvercharakterisierung wurde während der Projektlaufzeit insgesamt drei Mal wiederholt, um etwaige Veränderungen der Pulvereigenschaften, beispielsweise durch Effekte im Prozess oder bei der Pulveraufbereitung, zu untersuchen. Veränderungen in der Pulverqualität wurden dabei nicht detektiert. Insgesamt wurden 160 kg des Einsatzstahlpulvers verarbeitet. Dabei wurden 30 Versuche an der verwendeten LPBF-Maschine des Typs SLM180HL der Firma SLM SOLUTION GROUP AG durchgeführt, wobei Prüfkörper und Bauteile mit einem Gesamtgewicht von etwa 60 kg entstanden. Das verwendete Pulver wurde insgesamt 18-mal dem Siebprozess unterzogen. Parallel dazu wurden die Prüfzahnräder der konventionell schmelzmetallurgisch hergestellten Referenzvariante gefertigt und wärmebehandelt (AP2).

Die Hartfeinbearbeitung der Referenzvariante erfolgte in einer gemeinsamen Charge mit den mittels LPBF gefertigten Zahnräder am WZL (AP5). Die Verzahnungsmakrogeometrie ist die Prüfverzahnung Typ FZG-C und stellt eine international anerkannte Referenzgeometrie für die Untersuchung der Zahnfußtragfähigkeit auf einem Pulsatorprüfstand dar. Anschließend (AP3) erfolgte die systematische Variation der den additiven LPBF-Prozess beeinflussenden Parameter sowie die Analyse deren Einflusses auf die Bauteilqualität. Die Zielgrößen der Optimierung waren zunächst Dichte, Fehlstellenverteilung und Konturgenauigkeit, welche die Haupteinflussgrößen auf die Zahnfußtragfähigkeit darstellen. Anhand von Prüfquadern wurden Prozessparameter für das LPBF von 16MnCr5 identifiziert und verifiziert, welche die Herstellung von Volumenkörpern mit einer relativen Zieldichte von ρrel > 99,9 % ermöglichen. Die Bauteildichte der Prüfquader wurde mittels Schliffbild und lichtmikroskopischer Analyse ermittelt. Zusätzlich wurden Parameter entwickelt, die eine Bauteildichte von ρ = 99,5 % erzeugen, um zu zeigen, dass mit nachgelagertem HIP-Prozess bei der Firma PANKL RACING SYSTEMS AG ebenso Bauteildichten von ρrel > 99,9 % erzeugt und somit offene verbleibende Porosität geschlossen werden kann (Ind1). Durch den projektbegleitenden Ausschuss wurde eine möglichst große Produktivität und Wirtschaftlichkeit der LPBF-Prozessparameter bei einer maximalen Laserleistung von PL = 200 W angestrebt, um eine möglichst breite Verwertung der Ergebnisse zu sichern. Daraus resultierend konnten im weiteren Projektverlauf lediglich reduzierte Qualitäten in der Fertigung erzielt werden. Für die folgende Konturparameterentwicklung wurde Parametersatz mit einer Laserleistung von PL = 200 W, einer Schichthöhe von Ds = 50 µm sowie einer Scangeschwindigkeit vs = 600 mm/s und eines Spurabstandes Δys = 100 µm ausgewählt. Resultierend aus der Konturparameterentwicklung wurden die Belichtungsstrategien und Scannerparameter für die Verzahnungsfertigung festgelegt. Nach der Analyse des Bauteilverzuges mittels 3D-Scan (GOM Messung) wurde in Bezug auf die bisher genannten Zielgrößen die günstigste LPBF-Prozessparameterkombination ausgewählt, um Prüfradvarianten für die Schleifbarkeits- und Zahnfußtragfähigkeitsuntersuchungen zu fertigen (AP4). Dabei war die Zahnfußgeometrie Gegenstand der Variation. Gefertigt wurden drei Zahnradvarianten mit jeweils unterschiedlichen Zahnfußkonturen. Die Zahnfußkonturen entsprechen einer üblichen mittels Wälzfräsen erzeugten Zahnfußgeometrie, einer in der Hartfeinbearbeitung überschliffenen Zahnfußgeometrie sowie einer formoptimierten Zahnfußgeometrie. Die formoptimierte Kontur ist konventionell nur aufwendig fertigbar. Gemäß der Berechnung und Simulation der in diesem Vorhaben - errechnet mit der FE-basierten Stirnradkette STIRAK V4.4   genutzten optimierten Zahnfußgeometrie wird die Verzahnung mit der optimierten Zahnfußkontur die Zahnfußtragfähigkeit der mittels Wälzfräsen gefertigten Bauteilgeometrie um maximal 28 % übertreffen. Sowohl nach der Zahnradfertigung als auch nach der folgenden Einsatzhärtung mittels Vakuumaufkohlung und anschließender Gasabschreckung lagen bei der Verzahnungsmessung sämtliche Mittelwerte in Profil- und Flankenlinienrichtung innerhalb der Qualitätsklasse IT12 nach ISO 1328. Nach der Wärmebehandlung traten somit keine signifikanten Änderungen der Geometrie auf. Bei der Firma PANKL RACING SYSTEMS AG wurden zwei weitere Prüfradvarianten in einem weiteren Industrieversuch gefertigt, um den Anlageneinfluss (Praxis versus Forschung) und den Einfluss eines HIP-Prozesses auf die Prüfradeigenschaften zu untersuchen (Ind2). Die Rauheitskennwerte des arithmetischen Mittenrauwertes Ra und der gemittelten Rautiefe Rz unterschieden sich bei den einzelnen Verzahnungsvarianten nicht signifikant. Die Hartfeinbearbeitung sämtlicher Prüfverzahnungen wurde mittels Profilschleifen auf der Verzahnungsschleifmaschine KAPP KX 500 Flex durchgeführt (AP5).

Standardmäßig wurde das Verzahnungsschleifen der Pulsatorverzahnungen von Untersuchungen hinsichtlich des Auftretens thermischer Gefügeschädigungen in Form von Schleifbrand begleitet. Eventuelle Gefügeschädigungen wurden mittels der oberflächenorientierten zerstörungsfreien Verfahren Nitalätzen sowie Barkhausenrauschen detektiert. Bei keinem der anschließend auf dem Pulsatorprüfstand hinsichtlich Zahnfußtragfähigkeit untersuchten Zahnräder wurde Schleifbrand detektiert. Die Schleifparameter blieben bei der Fertigung der Pulsatorräder konstant. Die zusätzlichen experimentellen Untersuchungen zur Detektion des Zeitpunktes des Auftretens einer thermischen Gefügeschädigung bei additiv gefertigten Verzahnungen wurde der Energieeintrag sukzessiv von Zahnlücke zu Zahnlücke gesteigert. Ausgehend von den konventionell verwendeten Schleifparametern wurden Vorschubgeschwindigkeit vfr, radiale Zustellung ae und Hubanzahl NHub variiert.

Die abschließenden experimentellen Untersuchungen der geschliffenen Zahnräder hinsichtlich des kritischen Schadensmechanismus Zahnfußbruch wurden auf einem Pulsatorprüfstand, einem Analogieprüfstand, durchgeführt (AP6). Zur Beschreibung der Bauteilcharakteristik wurden pro Variante 8 bis 10 Versuche im zeitfesten Lastbereich bei statistischer Auswertung auf definierten Laststufen sowie 12 bis 15 Versuche am Übergang zum dauerfesten Lastbereich im Treppenstufenverfahren durchgeführt [DIXO48]. Die Auswertung des Treppenstufenverfahrens erfolgte gemäß HÜCK [HÜCK83].

Bezüglich der Zahnfußtragfähigkeit wurde eine Reduktion verglichen mit der schmelzmetallurgischen Referenz detektiert. Die mittels LPBF gefertigten Verzahnungsvarianten wiesen eine Streuung der gemessenen Zahnfußtragfähigkeit in Abhängigkeit von der Bauteilposition und Fertigungscharge auf. Dennoch konnte verifiziert werden, dass Verzahnungen mit einer formoptimierten Zahnfußkontur eine um ca. 28 % höhere Zahnfußtragfähigkeit als Verzahnungen mit wälzgefräster Kontur erzielen. Allerdings konnte insbesondere bei der Übertragung der LPBF-Prozessparameter von einer einfachen Prüfkörpergeometrie auf die Prüfzahnräder eine starke Streuung der resultierenden Zahnfußtragfähigkeit innerhalb einer Fertigungscharge trotz gleichbleibend hoher Pulverqualität und konstanter Prozessbedingungen beobachtet werden. Die Streuung der Bauteilqualität trat in Abhängigkeit von der Position im Bauraum der LPBF-Anlage auf. Diesbezüglich wurden zusätzliche Stichversuche mit modifizierten Prozessparametern durchgeführt, was eine weitere Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit der LPBF Verzahnungen von knapp 30 % zur Folge hatte.

 

Forschungsstellen:
1) Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen; Leiter: Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher

2) Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT), Aachen; Leiter: Prof. Dr. Constantin Häfner

 

vorgelegt über: Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA), Frankfurt am Main

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

 Bezugsquelle Schlussbericht:

bitte wenden Sie sich an die FVA https://fva-net.de/

 

08.04.2022