Entwicklung der Binder Jetting Formgebung für hochbelastbare Antriebskomponenten durch anforderungsgerechtes Sintern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs; Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496734156

Pulvermetallurgisch hergestellte Verzahnungen sind porös und weisen daher eine geringere Festigkeit als Zahnräder aus schmelzmetallurgischem, volldichten Werkstoff auf. Der Dichtwalzprozess ermöglicht die Erhöhung der Randdichte bis zu 100% und somit auch eine Steigerung der Festigkeit an der Zahnradoberfläche von PM Verzahnungen Die Tragfähigkeit des konventionellen Verzahnungsstahls 16MnCr5 wird dadurch erreicht bzw. übertroffen. Dieser Einsatzstahl ist für das Matrizenpressen ungeeignet. Mit der Porosität im Bauteilkern geht eine Gewichtsreduktion und eine mögliche Optimierung des Einsatzverhaltens („Noise Vibration Harshness“) einher. Die pulvermetallurgische Herstellung von Zahnrädern über Pressformgebung und Sinterung ist aufgrund spezieller Anlagentechnik erst bei großen Losgrößen bzw. in der Serienfertigung wirtschaftlich. Mit dem mehrstufigen, generativen Fertigungsverfahren Binder Jetting (BJT) wird schichtweise durch definierten Binderauftrag in ein Pulverbett ein physischer Bauteilgrünling gefertigt. Der Grünling wird im anschließenden Entbinder- und Sinterprozess in den rein metallischen Zustand überführt. Das BJT dient aktuell vor allem der flexiblen Prototypenfertigung und kann zukünftig eine wirtschaftliche Lösung der Zielkonflikte einer endkonturnahen Fertigung von Zahnrädern bei kleiner Losgröße ermöglichen. Die Endgeometrie, die Porosität sowie die Festigkeit werden beim BJT erst nach der Sinterung erreicht. Somit ist Werkstoffflexibilität beim Binder Jetting lediglich durch die Sinterbarkeit beschränkt. Durch die Anisotropie der Sinterschwindung, verursacht durch den schichtweisen Aufbau des Bauteils, ist eine endkonturnahe Fertigung nur durch die Abstimmung von Druck- und Sinterparametern möglich. Ergänzend zur konventionellen wirtschaftlichen Fertigung hochbelastbarer Zahnräder in größeren Stückzahlen und identischer Geometrie ist die Entwicklung des BJT Prozesses für das Werkstoffpulver 16MnCr5 nötig. Zur Befähigung des Werkstoffes beim BJT sind zuerst grundlegende Untersuchungen sowohl des schichtweisen Pulverauftrages als auch der anschließenden Binderbenetzung nötig. Der Einfluss dieser variierenden Parameter auf den Sinterprozess und die damit einhergehende Schwindung und abweichende Bauteilkontur sind durch Fertigung von Probekörpern zu analysieren. Flachzug- sowie Schwingprobenuntersuchungen zum Vergleich von Grünteil- und Zugfestigkeit des Endbauteils nach der Sinterung geben Aufschluss über die mechanischen Eigenschaften dieses Werkstoffes. Erst danach ist die Fertigung eines Zahnradprototypen zur Erfüllung anforderungsgerechter Eigenschaften möglich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen