22.01.2018|Verbundprojekt „NeuGenWälz“

Neue Wekstoffe für die Generative Fertigung von Wälzlagern

REALIZER Teilprojekt (FKZ EFRE 800667)

Projektlaufzeit: 01.01.2017 - 31.12.2019

Die Sicherung der Innovationsführerschaft am Standort Deutschland Und stetig steigende Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Maschinenkomponenten, zu denen auch das Schlüsselprodukt Wälzlager gehört, sind bestimmende Faktoren für die Wettbewerbsfähigkeit produzierender Unternehmen. Um sich erfolgreich im Wettbewerb zu behaupten, kann Wachstum als Grundvoraussetzung gesehen werden. Wachstum erfordert wiederum Innovationen und somit die erfolgreiche Umsetzung von innovativen Produkten auf Basis neuer Werkstoffe. Weitere Wettbewerbsvorteile ergeben sich durch eine schnelle und flexible Umsetzung kundenspezifischer Produktanforderungen, die mit der Bestrebung nach Individualisierung von Produkten am Markt begründet werden können. Hier liegt der Fokus auf der geometrischen Flexibilität von Produkten, auf leichtbauenden Strukturen und einer optimalen Integration von Bauteilen in ihre Umgebung.

Eine Möglichkeit diese Anforderungen bedienen zu können bieten additive Fertigungsverfahren. Aufgrund des schichtweisen Aufbaus von Bauteilen bestehen nahezu unbegrenzte geometrische Freiheitsgrade und dadurch die Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung und Funktionsintegration bei der Entwicklung und Herstellung von Bauteilen. CAD-Daten lassen sich aufgrund der werkzeuglosen Fertigung zeitnah in ein physisches Bauteil umsetzen, wodurch sich die Dauer der Produktentwicklung sowie der Einzelteil- oder Kleinserienfertigung signifikant reduzieren lässt. Dadurch bieten die additiven Fertigungsverfahren ein vielversprechendes Potential die Fertigungslandschaft nachhaltig zu verändern. Das von REALIZER entwickelte Selective Laser Melting (SLM) für die additive Fertigung metallischer Bauteile hat sich in den letzten Jahren kontinuierlich von einem Verfahren zur Prototypenherstellung hin zu einem Fertigungsverfahren für die industrielle Produktion komplexer Bauteile in Kleinserien entwickelt. Diese Technologie findet zunehmend in den Industriezweigen Luftfahrt, Turbomaschinenbau und Medizintechnik Anwendung in der wirtschaftlichen Herstellung komplexer Funktionsbauteile sowie in größeren Stückzahlen. Diese Branchen fertigen typischerweise hochpreisige Produkte mit erheblichem Bedarf zur Gewichtsreduzierung (Luftfahrt) oder Individualisierung (Medizintechnik), wodurch die additive Fertigung hier bereits eine wirtschaftliche Alternative zur konventionellen Fertigung ist.

In der Industrie werden für das SLM Verfahren bereits unterschiedliche Stahlwerkstoffe eingesetzt, die von den SLM Anlagenherstellern für den Prozess qualifiziert wurden. Dabei handelt es sich zum einen um den aushärtbaren Werkzeugstahl 1.2709 und eingeschränkt auch um den Werkzeugstahl 1.2343, die zur Herstellung von Schmiedewerkzeugen, Spritzguss- und Druckgusswerkzeugen verwendet werden. Zum anderen sind korrosionsbeständige, austenitische Edelstähle (1.4404, 1.4540) für den SLM Prozess qualifiziert, die zur Herstellung von Prototypen in unterschiedlichen Branchen sowie Operationshilfen (Endoskopie, Orthopädie) und Befestigungsteilen in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Ausgewählte Titanlegierungen sind insbesondere Ti6Al4V, sowie Kobaltchrom- und Nickelbasislegierungen (bspw. IN718 oder SP2) für den SLM-Prozess qualifiziert.

Nach derzeitigem Stand der Technik sind keine hoch kohlenstoffhaltigen, härtbaren Stähle wie Wälzlagerstähle oder Kaltarbeitsstähle für den SLM Prozess qualifiziert worden, obwohl diese Stahlwerkstoffe im Maschinen und -Anlagenbau sowie Werkzeugbau ein sehr großes Einsatzfeld für Bauteile wie bspw. Kugellager darstellen. Grund dafür ist ihre Neigung zur Rissbildung in der SLM-Herstellung, sie wird durch die lokal begrenzten Temperaturgradienten, die durch die extrem hohen Abkühlraten hervorgerufenen werden und den damit einhergehenden Spannungsaufbau sowie innere Spannungen, die durch die martensitische Umwandlung entstehen, bedingt. Diese Phänomene treten sowohl bei Erstarrung als auch bei der Wiedererwärmung auf und entstehen aufgrund des schichtweisen Aufbaus der zu einer permanenten Wiederholung des Zyklus führt. Eine Möglichkeit zur erfolgreichen Verarbeitung von schwer schweißbaren, rissanfälligen Werkstoffen bietet die Vorheizung des Bauteils im SLM Prozess durch eine induktive Vorheizung der Substratplatte auf Temperaturen, die deutlich oberhalb der Martensitbildungstemperatur liegen (z.B. TV=500°C).

Die CEROBEAR GmbH ist führender Hersteller von Hochleistungswälzlagern mit keramischen Komponenten, die zurzeit primär in Sonderanwendungen mit anspruchsvollen Produktanforderungen eingesetzt werden. In den letzten Jahren vollzog sich ein kontinuierlicher Anstieg des Anteils an hochwertigen Wälzlagern, die in erster Linie von spezialisierten Lagerherstellern in Hochlohnländern, wie Deutschland, kunden- oder anwendungsspezifisch gefertigt werden. Beispiele sind Hybridwälzlager im Motorsport, der Lebensmittelindustrie, der Medizintechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt. Diese Lager setzen sich aus keramischen Wälzkörpern und Lagerringen aus Wälzlagerstahl zusammen. Standardwälzlager werden hingegen meistens in Ländern mit vergleichsweise niedrigem Lohnniveau produziert. Die Erschließung ist neuer Marktsegmente im Bereich leichtbauender und hochwertiger Hybridlager mit individualisierten Eigenschaften fundamental für die Sicherung und den Ausbau der Produktion am Standort NRW.

Die kritische Komponente in Hinblick auf den Einsatz generativer Fertigungsverfahren stellt der Werkstoff dar. Hierbei stehen primär zwei Anforderungen im Vordergrund. Zum einen erfährt der Werkstoff hohe mechanische Belastungen im Wälzkontakt, denen er widerstehen muss. Er ist einer fortlaufenden Schwellbelastung ausgesetzt, die zu einer Werkstoffermüdung führt. Die Folge sind Ermüdungsschäden (z. B. Pittings, Spalling), die zu flächigen Materialabschälungen an der Oberfläche führen und damit einen Ausfall des Wälzlagers zur Folge haben. Zum anderen muss der Werkstoff mittels generativer Verfahren herstellbar sein und eine gute Reproduzierbarkeit seiner Eigenschaften aufweisen, um eine gleichbleibende Qualität gewährleisten zu können.

Um das SLM-Verfahren auch für das Produkt Wälzlager einsetzen zu können, ist eine ganzheitliche und aufeinander abgestimmte Entwicklung von Werkstoff und SLM-Anlagentechnik entlang der Prozesskette erforderlich. REALIZER hat in diesem Projekt großes Interesse die bestehende Anlagentechnik LASERTEC 30 SLM und LASERTEC 12 SLM für die neuen Herausforderungen aufzurüsten. Dadurch ergeben sich folgende Teilziele des geplanten Forschungsvorhabens:

  • Entwicklung eines eisenbasierten Werkstoffes mit geeigneten mechanischen Eigenschaften zur additiven Fertigung von Wälzlagerkomponenten mittels SLM. (REALIZER GmbH und Projektpartner)
  • Entwicklung einer SLM Prozessführung zur defektfreien Herstellung von Bauteilen aus hoch kohlenstoffhaltigen Stählen wie z.B. Kaltarbeitsstählen. (REALIZER GmbH und Projektpartner)
  • Entwicklung und Umsetzung eines Vorheizkonzeptes zur Verarbeitung schwer schweißbarer Stahlwerkstoffe sowie Integration des Vorheizmoduls in eine kommerzielle SLM-Anlage. (REALIZER GmbH)

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. Generative Verfahren rücken 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 Selective Laser Melting (SLM) hergestellt werden können. Zur Erreichung dieses Ziels werden zunächst die Anforderungen durch den Endanwender sowie von Seiten der Werkstoff- und Anlagentechnologie definiert und daraus Zielkriterien abgeleitet. Die Werkstoffentwicklung ist in mehrere Schritte untergliedert und ist so aufgestellt, dass sie eine hohe Erfolgschance durch eine breite Herangehensweise bietet. Ein wesentliches Ziel ist die rissfreie Herstellung eines harten Werkstoffs durch SLM. Dieses Ziel soll sowohl durch eine werkstofftechnisch basierte, systematische Anpassung der SLM-Anlagentechnik als auch der Legierungsanpassung des Werkstoffs erfolgen. Die Bewertung der mittels SLM hergestellten Proben und Versuchskörper erfolgt durch Überrollversuche bei wälzlagertypischer Belastung. Der Erfolg der durchgeführten Entwicklungs- und Anpassungsschritte wird mit der Umsetzung eines geometrisch anspruchsvollen Demonstrators verifiziert. Ergebnisse dieses Projekts sind mindestens ein mittels SLM-Verfahren zu überrollfesten Wälzlagerbauteilen bearbeitbarer Werkstoff und geeignete Prozessparameter zur SLM-Bearbeitung des Werkstoffs. Prozesse können fürexistierende Werkstoffe verbessert und anhand der Kenntnisse der Wechselwirkungen systematisch Parameter für neue potentielle SLM-Werkstoffe abgeleitet werden.

Dieses Projekt wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert.

Dieses Projekt wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert.
www.efre.nrw.de www.wirtschaft.nrw


Um die Webseite optimal gestalten und fortlaufend verbessern zu können, verwendet DMG MORI Cookies. Durch die weitere Nutzung der Webseite stimmen Sie der Verwendung von Cookies zu. Weitere Informationen zum Datenschutz und WiderrufAGBImpressumHaftungsausschluss / Nutzungsbedingungen