Induktionshärten 3D-gedruckter Zahnräder
FVA 945 I | IGF-Nr. 01|F22024 N
Induktionshärten funktionsintegrierter, additiv gefertigter Leichtbau-Stirnräder
Die Kombination von additiver Fertigung und induktiver Wärmebehandlung bietet Potenzial, mittels gesteigerter Festigkeit und verringertem Gewicht höhere Leistungsdichten zu realisieren. Die additive Fertigung durch Laser-Strahlschmelzen im metallischen Pulverbett ermöglicht innovative, kraftflussgerechte Leichtbaugestaltungen, welche mit konventionellen Herstellmöglichkeiten nicht umsetzbar sind. Das Induktionshärten führt zu einer hohen Randschichthärte, die zu einer gesteigerten Bauteilfestigkeit genutzt werden kann.
Im Vorhaben wurden Modellproben und Zahnräder verschiedener Werkstoffe, Leichtbaudesigns und Wärmebehandlungen experimentell auf ihre Tragfähigkeit untersucht, um mechanische Kennwerte zu ermitteln und somit die optimale Kombination mit dem größtmöglichen Potential zu identifizieren. Das angestrebte Vorhaben weist somit eine hohe wirtschaftliche Bedeutung für die Branchen der additiven Fertigung, insbesondere bei Pulverherstellern und 3D-Druck-Lohnfertigern, sowie der induktiven Wärmebehandlung.
Die Untersuchungen zur Zahnfußtragfähigkeit erfolgten an Zahnrädern der Baugröße Normalmodul mn = 2 mm. Es wurde eine konventionelle Standardgeometrie aus FVA 660 I sowie eine Geometrie mit einer bionischen Optimierung eingesetzt. Aufgrund von eingeschränkten Kapazitäten im Bereich des 3D-Drucks wurden die Zahnräder auf zwei Anlagen hergestellt. Es zeigten sich erhebliche Unterschiede hinsichtlich der Dichte zwischen den einzelnen Varianten, insbesondere zwischen den beiden Anlagen. Weiterhin wurden im Bereich des Zahnfußes nur an den kugelgestrahlten Varianten Druckeigenspannungen an der Oberfläche registriert. Bei allen anderen Varianten lagen die Eigenspannungen im Bereich von leichten Zugeigenspannungen.
Das Bild zeigt eine Gegenüberstellung der hinsichtlich Zahnfußbruch experimentell ermittelten Ergebnisse. Als Vergleich werden zwei konventionell gefertigte Varianten (V12/V13) aus dem Forschungsvorhaben FVA 660 III herangezogen. Die Zahnräder dieser beiden Varianten bestehen aus der gleichen Werkstoffgüte (42CrMo4), welche nach der Weichbearbeitung induktiv gehärtet wurde. Die SHD im Zahnfuß der beiden Varianten ist vergleichbar mit den hier untersuchten Varianten (V12: SHD400 = 0,97 mm / V13: SHD400 = 1,24 mm). Bei der Härtekontur handelt es sich um eine durchgehärtete Kontur.
Im Vergleich zeigen die additiv gefertigten Varianten insgesamt eine zum Teil deutlich niedrigere Tragfähigkeit im Vergleich zu den beiden konventionell gefertigten Varianten. Innerhalb der additiv gefertigten Varianten zeigen sich jedoch deutliche Unterschiede. So zeigen die Varianten SN-DH und SN-DH-IWT-2 die höchsten und die beiden Varianten SN-DH-IWT und LBN-DH die niedrigsten Tragfähigkeiten innerhalb der ungestrahlten Varianten. Die beiden kugelgestrahlten Varianten SN-DH-kg und LBN-DH-kg zeigen die höchsten Tragfähigkeiten innerhalb der additiv gefertigten Varianten. Die am IWT gedruckten Varianten (IWT) zeigen trotz ihrer hohen Dichte im Vergleich zu den anderen Varianten ähnliche oder sogar niedrigere Tragfähigkeiten auf. Als Grund dafür wird insbesondere der gemessene Zugeigenspannungszustand gesehen.
Somit stellen die Eigenspannungen im Bereich des Zahnfußes die hauptsächliche Einflussgröße auf die Tragfähigkeit dar. Die Porendichte scheint hinsichtlich der Zahnfußtragfähigkeit eine zunächst sekundäre Einflussgröße zu sein.
Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 01|F22024 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.
