Tragfähigkeit additiv gefertigter Zahnräder (PBF-LB/M, 16MnCr5) mit Leichtbauoptimierungen der Zahnradnaben
Forschungsthema
| Kurztitel | Optimiertes 3D-Zahnrad |
| Projektbeginn | Q1/2023 |
| Förderung | FVA-Nr. 993/I, IGF-Nr. 22864 N/1 Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, BMWK |
| Projektpartner | Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV |
| Kontakt | Dr.-Ing. T. Tobie |
Projektbeschreibung
Zahnräder bieten großes Leichtbaupotenzial, welches unteranderem durch additive Fertigungsverfahren nutzbar gemacht werden kann. Hierfür können mittels der additiven Fertigung Leichtbaustrukturen im Zahnradkörper hergestellt werden, welche mittels konventioneller Fertigungsmethoden nicht realisierbar sind. In dem vorangegangenem DFG-Forschungsvorhaben „Generatives Zahnrad II“ wurde die Realisierbarkeit und Tragfähigkeit von additiv gefertigten Zahnrädern umfangreich untersucht. Hierbei gelang eine reproduzierbare und hochqualifizierte Herstellung von additiv gefertigten Zahnrädern mit unterschiedlichen Leichtbaustrukturen (vgl. Abbildung 1), wodurch eine Masseneinsparung von ca. 45 % gegenüber vergleichbaren Zahnrädern mit Vollnabe erzielt werden konnte. Während sich die dynamische Tragfähigkeit gegen Grübchen mit Dauerfestigkeitswerten entsprechend ISO 6336-5 zwischen den Werkstoffqualitäten MQ und ME einordnet, liegen die Dauerfestigkeitswerte für die dynamische Tragfähigkeit gegen Zahnfußbruch zwischen MQ und ML. Als Grund für diese niedrige Werkstoffqualität werden oberflächennahe Poren und Gaseinschlüsse sowie die vergleichsweise hohe Rauheit von Rz = 60 µm im Zahnfuß betrachtet.
Basierend auf den im DFG-Forschungsvorhaben „Generatives Zahnrad II“ gewonnen Erkenntnissen, sollen im FVA-Forschungsvorhaben 993 I „Optimiertes 3D-Zahnrad“ folgende Themen bearbeitet werden:
- Leichtbauoptimierung
- Oberflächenoptimierung
- In-Situ Aufkohlung
Die im DFG-Forschungsvorhaben betrachteten Prüfverzahnungen zeigten bei statischen sowie dynamischen Untersuchungen kein Versagen der Leichtbaustrukturen. Somit ist das Leichtbaupotenzial noch nicht vollständig erschöpft. Durch weitere Leichtbauoptimierungen soll in FVA 993 I eine Masseeinsparung von ca. 60 % gegenüber Zahnrädern mit Vollnabe erzielt werden.
Im Vergleich zu konventionell hergestellten Zahnrädern zeigten die additiv gefertigten Zahnräder des DFG-Projektes niedrige Dauerfestigkeitskennwerte gegen Zahnfußbruch. Begründet wird dies mit prozessbedingten Oberflächendefekten sowie einer hohen Rauheit im Zahnfuß. Durch geeignete Strahl- und Schleifprozesse soll die Oberfläche im Zahnfuß in diesem Forschungsvorhaben derart optimiert werden, sodass Dauerfestigkeitswerte oberhalb der Werkstoffqualität MQ erreicht werden.
Durch Vorarbeiten an der Forschungseinrichtung Fraunhofer IGCV ist es möglich, Pulver mit unterschiedlichen Kohlenstoffkonzentrationen abzulegen. Durch eine erhöhte Kohlenstoffkonzentration in Kombination mit der raschen Abkühlung beim Laserstrahlschmelzen mittels PBF-LB/M bildet das erstarrte Gefüge eine vorwiegend martensitische Struktur aus. In diesem Forschungsvorhaben soll die Realisierbarkeit und Tragfähigkeit einer In-Situ Aufkohlung geprüft werden. Nach Möglichkeit soll eine im Zahnfuß und auf der Zahnflanke variabel angepasste Einsatzhärtungstiefe (CHD) realisiert werden.