Pulvercharakterisierung und Parameteroptimierung zur additiven Verzahnungsfertigung mittels LPBF

Lukas Klee; Thomas Bergs; Jens Brimmers; Tim Lantzsch; Constantin Häfner

doi:10.58134/fh-aachen-rte_2022_003

Autor/innen

Lukas Klee, M.Eng. Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University
Prof. Dr.-Ing. Thomas Bergs Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University
Dr.-Ing. Jens Brimmers, M.Sc. Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University
Tim Lantzsch, M.Sc. Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Prof. Dr. rer. nat. Constantin Häfner Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT; Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen University

DOI:

https://doi.org/10.58134/fh-aachen-rte_2022_003

Schlagworte:

LPBF, additive Fertigung, 16MnCr5, Methodik zur Pulvereingangsprüfung, additiven Verzahnungsfertigung

Abstract

In der vorliegenden Studie wurde anhand des zahnradtypischen Einsatzstahls 16MnCr5 eine Methodik zur Pulvereingangsprüfung entwickelt. Zusätzlich zur standardmäßigen Analyse der Korngrößenverteilung und der chemischen Analyse bei der Pulverlieferung wurden weitere detailliertere Prüfungen durchgeführt, welche Rückschlüsse auf die relevanten und sinnvollerweise heranzuziehenden Bewertungskriterien zulassen. REM / EDX Analysen sowie eine Analyse der Fließfähigkeit und Schüttdichte wurden durchgeführt, um prozessrelevante Pulvereigenschaften zu ermitteln. Der Vergleich der Messergebnisse mit den Toleranzbereichen gemäß der Herstellerangaben diente weiterhin der fortlaufenden Qualitätssicherung. Basierend auf der Analyse eines fremdpartikelfreien Bauteilpulvers sowie der Entwicklung angepasster, werkstoffgerechter LPBF-Prozessparameter kann eine Verbesserung der Bauteilqualität (Relative Bauteildichte, Oberflächengüte) und der Zahnradtragfähigkeit erzielt werden. Sowohl hinsichtlich der Bauteildichte als auch der Konturgenauigkeit konnte eine Verbesserung gegenüber vorangegangenen Forschungsarbeiten erreicht werden. Basierend auf den Ergebnissen der LPBF-Prozessentwicklung wurde ein Parametersatz zur Fertigung von Verzahnungen ausgewählt. Die mittels LPBF gefertigten Verzahnungen wurden einerseits hinsichtlich Profil-, Flankenlinien und Rundlaufabweichungen gemäß ISO 1328 charakterisiert [13]. Sämtliche Mittelwerte lagen innerhalb der Qualitätsklasse IT12 nach ISO 1328 [13]. Des Weiteren wurde die Abweichung der Ist-Geometrie nach dem LPBF von der Soll-Geometrie mittels 3D-Scan (GOM-Messung) quantifiziert. Die Verzahnungen wiesen eine hohe Maßhaltigkeit und einen geringen Verzug auf. Anschließend wurden Rauheitsmessungen an den gefertigten Verzahnungen durchgeführt. Die Analyse der Rauheitsprofile mittels LPBF, Binder Jetting und dem Matrizenpressen gefertigter Zahnräder ergab signifikante Rauheitsunterschiede bis hin zu einem Faktor zehn.