Arbeitsgruppe Prozesstechnologie

   

Neue Werkstoffe für die generative Fertigung von Wälzlagern

Das Wälzlager ist ein Schlüsselprodukt, das in nahezu allen Anwendungen des Maschinenbaus zu finden ist. Bei vielen Anwendungen spielt die äußere Geometrie des Wälzlagers eine wichtige Rolle, da sie den Integrationsgrad des Lagers und die Gestaltung der Umbauteile bestimmt. Die Flexibilität der äußeren Lagergeometrie ist abhängig vom eingesetzten Fertigungsverfahren und wird durch die am Markt verfügbaren, spanenden Verfahren stark limitiert. Dadurch rücken generative Verfahren stärker in den Fokus. Sie bieten die erforderliche Flexibilität zur geometrischen Individualisierung. So können heute verfügbare Wälzlagerwerkstoffe mit aktuellen Anlagen- und Prozesskonzepten noch nicht additiv erzeugt werden während additiv herstellbare Werkstoffe noch nicht die Anforderungen für Wälzlager erfüllen, insbesondere in Hinsicht auf die erforderliche Härte und Wälzfestigkeit.

Daher ist das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens eine werkstofftechnische Entwicklung, die zu Werkstoffen führt, die die Anforderungen des Wälzlagers erfüllen und mittels generativer Verfahren wie dem Laser Powder Bed Fuison Verfahren hergestellt werden können.

Ansprechpartner: Johannes Kunz

Projektförderung: Efre NRW (IAPK)

HIP-Nachverdichtung von LPBF-Bauteilen

Die laserbasierte additive Fertigung im LPBF–Verfahren (Laser-Powder-Bed-Fusion) ist ein laserbasiertes additives Fertigungsverfahren, bei dem das Bauteil Schicht für Schicht aus selektiv umgeschmolzenem Metallpulver entsteht. Jedoch beschränken sich die Anwendungen, da oftmals eine herstellungsbedingte Restporosität und/oder Mikrorissen vorliegen, welche die mechanischen Eigenschaften verschlechtert. Eine Möglichkeit zur Optimierung der Eigenschaften ist das heißisostatische Nachverdichten (HIP) der Bauteile, wodurch im Bauteil verbliebene Porosität und Risse geschlossen werden kann.

Außerdem kann das LPBF-Verfahren durch die Herstellung poröser Innenstrukturen mit dichter Außenhülle beschleunigt werden. Danach der HIP-Prozess verringert die Porosität und optimiert die Gefüge.

LPBF Anlage (ReaLizer SLM 100); Poren in der Probe vor und nach HIP; entsprechende Schwingfestigkeit

Ansprechpartner: Siyuan Qin

Projektförderung: Industrieförderung im Rahmen der EPMA

Endkonturnahe Komponenten gefertigt durch einen kombinierten AM+HIP-Prozess

Das heißisostatische Pressen (HIP) ist ein pulvermetallurgischer Fertigungsprozess, um Metallpulver unter Verwendung einer metallischen Kapsel in eine gewünschte Form zu bringen. Durch die beim HIP herrschenden Drücke und Temperaturen wird das Metallpulver durch verschiedene werkstoffliche Prozesse zu porenfreier, voller Dichte konsolidiert.

Die additive Fertigung (AM) ermöglicht es nun, HIP-Kapseln nahezu beliebiger Geometrie aufzubauen. Mithilfe einer numerischen FEM-Simulation des HIP-Schrumpfes kann die Kapselgeometrie vor der AM-Fertigung iterativ so optimiert werden, dass nach HIP bereits ein endkonturnahes Bauteil vorliegt. Auf diese Weise können Fertigungszeit und Ressourcen gespart werden; der benötigte Aufwand zur Fertigbearbeitung wird auf ein Minimum beschränkt.

Die Möglichkeiten zur Kapselfertigung sind dabei vielfältig: Mit Elektronenstrahlschmelzen können monolithische, bereits geschlossene Kapseln aufgebaut werden. Das Laserstrahlschmelzen ermöglicht offene Kapseln, die mit einem gleich- oder andersartigen Pulver gefüllt werden. Auf diese Weise können komplex geformte, endkonturnahe Verbundbauteile gefertigt werden.

nahezu beliebig geometriefrei aufgebaut werden. Die Verfahrensschritte ähneln dabei dem etablierten Metallpulverspritzguss (MIM): Metallpulver mit Binderanteil in eine Form bringen, den Binder thermisch ausbrennen, und anschließend das Bauteil fertig sintern. 3DP hat dadurch das Potenzial, das Dienstleistungsspektrum von MIM-Fertigungsbetrieben zu erweitern. Werkzeuglos könnten flexibel Prototypen, Designstudien oder sogar Kleinserien gefertigt werden.

Am IWM wird in enger Zusammenarbeit mit Forschungs- und Industriepartnern untersucht, unter welchen Bedingungen und mit welchen Fertigungsparametern 3DP-Bauteile den MIM-Bauteilen gleichwertig sein können. Dabei liegen Schwerpunkte der Untersuchungen auf der Eignung verschiedener Metallpulver, den erreichbaren Bauteileigenschaften sowie den Werkstoffcharakteristika.

Ansprechpartner: Sebastian Riehm

Projektförderung: FSV-AiF, DFG (in Beantragung)

Reaktivlöten von Sauerstofftransportmembranen

Keramische O_2-leitende Membranen können bei Temperaturen über 750 °C und einem anliegenden Sauerstoffpartialdruckgefälle molekularen Sauerstoff aus der Luft selektiv abscheiden. Wird dieser Sauerstoff als Verbrennungsgas z.B. im Rahmen einer Oxyfuel-Verbrennung genutzt, ist es möglich das entstehende CO₂ abzuscheiden und zu speichern.

Das gasdichte Fügen der Membranen in eine metallische, industrielle Peripherie ist eine bisher ungelöste Herausforderung. Bedingt durch ihre chemische Zusammensetzung und die Einsatzbedingungen, eignet sich nur das relativ junge Lötverfahren des reactive air brazings. Jedoch entstehen während des Lötens Reaktionsprodukte an den Grenzflächen, die zu Mikrorissen und Versprödung führen. Die Chromdiffusion aus den metallischen Fügepartnern und Bildung spöd-poröser Grenzschichten ist ein weiteres Problem. Mittels Prozesssimulation, Prozessanpassung, verschiedenen Beschichtungstechniken, künstlicher Alterung und mechanischen Versuchen erforscht das IWM, wie diese Degradationsmechanismen verändert werden können.

Ansprechpartner: Simone Herzog

Projektförderung: DFG, EU, BMWI

LPBF-Pulverbaukasten für maßgeschneiderte Bauteileigenschaften

Das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) ermöglicht die werkzeuglose, einstufige Herstellung geometrisch komplexer Bauteile aus Metallpulvern. Die Ausschöpfung des hohen Marktpotentials ist aktuell durch die limitierte Werkstoffpalette und die resultierenden engen Anwendungsbereiche begrenzt.

Unser Ansatz ist, durch Verarbeitung von Pulvermischungen und in-situ Legierungsbildung im LPBF-Schmelzbad, die Eigenschaften von LPBF-Bauteilen auf spezifische Anforderungsprofile auszurichten. Mit einer begrenzten Auswahl an kommerziell erhältlichen Ausgangspulvern, können im Pulverbaukastenprinzip sehr flexibel neue Legierungen mit einem maßgeschneiderten Eigenschaftsspektrum hergestellt werden. DEM-Simulation der Partikelverteilung im Pulverbett bieten darüber hinaus die Möglichkeit auch bei stark unterschiedlichen Pulvereigenschaften, wie z.B. Wärmeleitfähigkeit oder Dichte, die Partikelgrößenverteilungen so anzupassen, dass auch Elementpulver zu homogenen Werkstoffen verarbeitet werden können. Der Nachweis einer erfolgreichen Verarbeitung von Pulvermischungen erfolgt über mechanische Charakterisierungen und hochauflösende Elektronenmikroskopie.

Ansprechpartner: Simone Herzog

Projektförderung: FSV-AiF (in Beantragung), DFG (in Beantragung)