Additiv gefertigte Zahnräder bieten enormes Potenzial für leichtere, leistungsfähigere Antriebsstränge – doch verlässliche Auslegungskennwerte fehlten bisher. Das Forschungsprojekt »Optimiertes 3D-Zahnrad« schließt diese Lücke durch systematische Untersuchungen zu Leichtbaustrukturen, Oberflächenoptimierung und innovativer In-Situ-Aufkohlung.
Das Pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) ermöglicht die Herstellung von Zahnrädern aus dem Einsatzstahl 16MnCr5 mit komplexen Leichtbaustrukturen, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht realisierbar wären. Vorangegangene DFG-Forschungsvorhaben (Kurztitel: Generatives Zahnrad II) zeigten bereits, dass Masseeinsparungen von bis zu 45 % möglich sind und additiv gefertigte Verzahnungen prinzipiell tragfähig sind. Dennoch blieben zentrale Fragen offen:
Für Anwender aus Industrie und kmU fehlen bisher abgesicherte Prozessparameter und Tragfähigkeitskennwerte, die eine verlässliche Auslegung additiv gefertigter Verzahnungen ermöglichen.
Das Vorhaben gliedert sich in drei eng verzahnte Forschungsschwerpunkte:
Aufbauend auf bestehenden Leichtbaudesigns werden durch rechnergestützte Optimierung (u. a. Computer Aided Optimization und bionische Ansätze) neue Radkörpergeometrien entwickelt, die eine Masseeinsparung von mindestens 60 % ermöglichen. Die statische und dynamische Tragfähigkeit wird anschließend experimentell an Pulsator- und Verspannungsprüfständen der FZG validiert.
Durch nachgelagerte Schleif- und Strahlbehandlungen (Ausschleifen, Gleitschleifen, Festigkeitsstrahlen) sollen die Rauheit und oberflächennahe Fehlstellen reduziert werden. Ziel ist die Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit auf Dauerfestigkeitskennwerte zwischen den Werkstoffqualitäten MQ und ME.
Das Fraunhofer IGCV setzt einen Multimaterialprozess ein, bei dem Pulver mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt (16MnCr5 + Graphitpartikel) gezielt im Pulverbett abgelegt wird. Durch das rasche Abkühlen beim Laserstrahlschmelzen entsteht lokal eine martensitische Randschicht – ohne konventionelles Aufkohlen im Ofen. Erstmals soll eine auf Zahnfuß und Zahnflanke individuell angepasste Einsatzhärtungstiefe (CHD) realisiert und hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit bewertet werden.
Die Forschungsergebnisse liefern praxisnahe Handlungsempfehlungen und Richtlinien für:
Die gewonnenen Tragfähigkeitskennwerte sollen in die Normung einfließen und damit einen direkten, dauerhaften Wissenstransfer insbesondere in kleine und mittlere Unternehmen sicherstellen. kmU profitieren konkret durch reduzierte Investitionskosten (werkzeuglose Fertigung), flexiblere Kleinserienproduktion und ein erweitertes Produktportfolio.
Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV