ZIM-Projekt „Leichtbauzahnrad“: Entwicklung eines Produktionsprozesses neuartiger Leichtbau-Zahnräder aus Stahllegierungen auf Basis eines innovativen selektiven Laserschmelzprozesses nebst Oberflächenvergütung

M.Sc. Philipp Schüßler

Motivation

Die lastgerechte Gestaltung von Bauteilen mittels einer Topologieoptimierung nimmt in der industriellen Produktentstehung eine zunehmend wichtigere Rolle ein. Additiven Fertigungsverfahren wie zum Beispiel dem selektivem Laserschmelzen (SLM) werden ein hohes Potential in einer zukünftigen industriellen Nutzung zugesprochen. Das SLM-Verfahren zeichnet sich hierbei vor allem durch eine hohe Designflexibilität aus, wodurch sich das Verfahren ideal zur Fertigung topologieoptimierter Bauteile eignet.
Beim SLM-Verfahren werden Pulverschichten inkrementell aufgetragen und durch einen Laserstrahl lokal aufgeschmolzen, um ein Bauteil somit Schicht für Schicht aufzubauen. Aufbaufehler wie Poren beeinflussen dabei die Bauteilqualität und führen zu anisotropen und inhomogenen Materialeigenschaften, welche es bei der Entwicklung einer prozessspezifischen Topologieoptimierungsmethode zu berücksichtigen gilt.

Ziele

Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Projekts ist die Entwicklung einer prozessspezifischen Topologieoptimierungsmethode für die Additive Fertigung von Leichtbauzahnrädern aus Stahllegierungen mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,8 Ma.-%. Hierbei sollen die aus dem SLM-Verfahren resultierenden anisotropen und inhomogenen Materialeigenschaften mitberücksichtigt werden, woraus sich folgende Zielsetzungen ergeben:

• Charakterisierung des prozessbedingten mechanischen Materialverhaltens und Auflösung durch Zielpräparation lokal homogener Materialbereiche in Probenform
• Untersuchung des Einflusses einer nachgeschalteten induktiven Wärmebehandlung auf topologieoptimierte Zahnräder
• Charakterisierung und Korrelation zwischen Makro-, Mikrostruktur und mechanischen Kenngrößen des im SLM gefertigten Materials
• Validierung der Leichtbauoptimierung durch mechanische Bauteilversuche an einem Zahnrad

Untersuchungen

• FEM-Simulation (Topologieoptimierung, Prozesssimulation)
• Charakterisierung des prozessbedingten mechanischen Materialverhaltens
• Mikrostrukturanalyse
• Metallografie