Integraler Leichtbau bei Zahnrädern mittels Laserstrahlschmelzen

Gesteigerte Ressourceneffizienz durch intelligente Materialentwicklung verbunden mit bionischem Design

Leichtbau bietet in Zahnradgetrieben die Möglichkeit, die zu beschleunigenden Massen und Trägheitsmomente zu reduzieren. Dadurch kann die Ressourceneffizienz verbessert und die Leistungsdichte erhöht werden. Im vorliegenden Projekt wird daher die Verarbeitung des Einsatzstahls 16MnCr5 für das Laserstrahlschmelzen (engl. laser beam melting, LBM) angestrebt. Außerdem werden anforderungsgerechte Leichtbauansätze entwickelt und die Tragfähigkeit der Zahnräder wird getestet.

Additive Fertigung bietet neue Freiheiten in der Konstruktion

In den ersten Arbeitspaketen konnte bereits die prozesssichere Verarbeitung des Einsatzstahls 16MnCr5 sichergestellt werden. Dazu wurden Fertigungsparameter entwickelt und hinsichtlich der erreichbaren Bauteildichte und Oberflächenbeschaffenheit optimiert. Die ermittelten mechanischen Eigenschaften liegen alle im Bereich von konventionell hergestelltem 16MnCr5 und lassen auf gute Werkstoffeigenschaften für die Zahnradherstellung schließen.

Die Additive Fertigung (engl.: additive manufacturing, AM) bietet neue Freiheiten in der Konstruktion, da gewohnte Einschränkungen übergangen werden können. Diese Formfreiheit wird durch die Leichtbauoptimierung und Funktionsintegration in die Zahnräder umgesetzt.

Erzielbare Materialeigenschaften des Einsatzstahls 16MnCr5
© Fraunhofer IGCV
Erzielbare Materialeigenschaften des Einsatzstahls 16MnCr5

Softwaregestützte und bionische Leichtbauoptimierung

Die Leichtbauoptimierung wurde einerseits mittels einer softwaregestützten Optimierung, wie zum Beispiel der Topologieoptimierung durchgeführt. Andererseits wurden Methoden der bionischen Optimierung eingesetzt, welche Lösungen aus der Natur in technische Bauteile übertragen. Mit Hilfe beider Ansätze wurden Verzahnungen entwickelt, die das Potenzial haben, die Masse um bis zu 35 Prozent zu reduzieren, obwohl der Optimierungsraum durch den festgelegten Zahnkranz und die Nabe eingeschränkt ist.

Die bionische Optimierung ist ein allgemeingültiges Verfahren, welches nicht auf den Anwendungszweck der Zahnräder begrenzt ist. Zusätzlich wird in dem Projekt das Potenzial einer integrierten Kühlung der Zahnflanken bewertet. Dazu werden Kühlkanäle in die Struktur des Zahnrads integriert, welche nur durch die Additive Fertigung hergestellt werden können.

Vorgehen zur bionischen Leichtbauoptimierung
© Fraunhofer IGCV
Vorgehen zur bionischen Leichtbauoptimierung

Konstruktionsregeln für die Leichtbauoptimierung

Im nächsten Schritt werden die hergestellten Zahnräder an der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) der TU München auf ihre Tragfähigkeit, Laufverhalten und Fressanfälligkeit geprüft und mit konventionell erzeugten Verzahnungen verglichen. Ziel ist es, Aussagen über die Einsatzfähigkeit von additiv gefertigtem 16MnCr5 zu erhalten und Konstruktionsregeln für die Leichtbauoptimierung von Verzahnungen abzuleiten.

Das Projekt wird über 30 Monate von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (RE 1112/50) gefördert und läuft noch bis Ende 2020. Der genaue Zusammenhang in der Wärmenachbehandlung von additiv gefertigten Bauteilen aus Einsatzstahl wird in einem AiF-Vorhaben untersucht.

Bionisches Zahnrad hergestellt aus 16MnCr5 durch Laserstrahlschmelzen
© Fraunhofer IGCV
Bionisches Zahnrad, hergestellt aus 16MnCr5 durch Laserstrahlschmelzen

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