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Forschung

Vom Zahnrad zur Prozesskette

| Autor/ Redakteur: Michael Vogel / Simone Käfer

Mit dem 3D-Druck von metallischen Bauteilen lassen sich ganz neue Funktionen für smarte Produkte schaffen. Nur an der Nachbearbeitung hapert es. Hier sucht eine Hochschule nach der richtigen Lösung.

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Durch eine Glasscheibe kann Markus Merkel den Druckprozess verfolgen. In dem 3D-Drucker schmilzt Laserlicht ein metallisches Pulver auf. So lassen sich Schicht für Schicht komplex geformte Produkte aus Metall herstellen.
Durch eine Glasscheibe kann Markus Merkel den Druckprozess verfolgen. In dem 3D-Drucker schmilzt Laserlicht ein metallisches Pulver auf. So lassen sich Schicht für Schicht komplex geformte Produkte aus Metall herstellen.
(Bild: ©Thomas Klink)

Zahnräder gehören bei vielen Antrieben zu den Bauteilen, ohne die nichts läuft. Insofern sind Zahnräder etwas ziemlich Alltägliches. Jenes, das vor Prof. Markus Merkel auf dem Tisch liegt, hebt sich von dieser Masse der Zahnräder jedoch ab. Denn in ihm sind Hohlräume. „Wir schaffen sozusagen mit den Löchern zusätzlichen Nutzen“, erklärt Merkel. Der Ingenieur und Professor an der Hochschule Aalen druckt mit seiner Arbeitsgruppe solche Zahnräder aus Metallpulvern. Zu den Anwendungen des Verfahrens, die Merkel und sein Team bei ihrer Forschung im Hinterkopf haben, gehören Elektroantriebe und Getriebe, die starken Tempoänderungen ausgesetzt sind. Mit dem 3D-Druck lassen sich in einem einzigen Prozessschritt Hohlräume im Bauteil erzeugen. „Das ist mit etablierten Fertigungsverfahren unmöglich“, sagt Merkel.

Mit den Hohlräumen ist das Zahnrad leichter und hat kleinere Massenträgheitsmomente, wodurch zum Beschleunigen und Abbremsen weniger Energie nötig ist. Zusätzlich lässt sich durch diese Hohlräume ein Kühlmittel leiten, sodass eine externe Kühlung überflüssig wird. Das reduziert den Platzbedarf. „In die Hohlräume lassen sich aber auch Sensoren oder Aktoren integrieren“, spinnt Merkel den Gedanken weiter. „Dann könnte das Zahnrad mit den übergeordneten Baugruppen kommunizieren und zum Beispiel in Echtzeit einen problematischen Anstieg der Temperatur melden – damit das Gesamtsystem reagieren kann, bevor das Zahnrad oder das Getriebe Schaden nimmt.“

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Additive Fertigungsverfahren sind an vielen Forschungseinrichtungen und auch in Unternehmen ein heißes Thema. Das Interessante an der Aalener Herangehensweise erläutert Merkel wie folgt: „Wir befassen uns an der Hochschule mit dem kompletten Zyklus des Verfahrens – vom Ausgangsmaterial über die Drucktechnik bis hin zur Oberflächennachbearbeitung der Bauteile.“ Dahinter steht ein allgemeiner Anspruch. „Wer bei uns studiert und forscht, soll komplexe Prozesse verstehen und vernetzt denken können“, betont Merkel. Die Konstruktion des Bauteils erfolgt computergestützt und digital, die Analyse seiner mechanischen Eigenschaften ebenfalls. Der eigentliche 3D-Druck beruht ausschließlich auf digitalen Daten. Werkzeuge oder Formen sind dabei nicht nötig. Selbst die Qualitätsanalyse des entstandenen Bauteils liefert umfassende digitale 3D-Daten, die dann in die Verbesserung von Material und Technologie einfließen können.

Komplexe Strukturen lassen sich mit additiven Verfahren einfach umsetzen. Die Probleme tauchen erst bei der Oberfläche des Bauteils auf.
Komplexe Strukturen lassen sich mit additiven Verfahren einfach umsetzen. Die Probleme tauchen erst bei der Oberfläche des Bauteils auf.
(Bild: © Thomas Klink)

Feinputz mit Laserpulsen

Allerdings: Die Oberfläche eines Zahnrads fühlt sich nach dem Drucken viel rauer an, als wenn es gefräst worden wäre. Hier kommt Simon Ruck ins Spiel, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand im Team von Prof. Harald Riegel. Ruck forscht mit seinen Kollegen an Laserverfahren, mit denen sich eine raue Oberfläche glätten lässt. „Bei dieser Art von Nachbearbeitung müssen wir sehr sorgfältig vorgehen, sonst wird das gedruckte Bauteil unbrauchbar“, erklärt er. Nach dem Drucken befinden sich auf der Oberfläche des Zahnrads nämlich noch zahlreiche Restpulverpartikel, die dort während der Fertigung haften geblieben sind. Um sie loszuwerden, wird die Oberfläche mit Laserpulsen erwärmt, die kürzer sind als eine Mikrosekunde. „Dadurch sprengen wir die unerwünschten Partikel und Oxidschichten weg“, sagt Ruck. „Würden wir mehr Energie zuführen, geschähe dies allerdings so heftig, dass die Partikel winzige Krater in die Oberfläche rissen. Das ist natürlich nicht gewollt.“ Nach dem Reinigen folgt das Laserpolieren, mit dem die Forscher die Oberflächenrauigkeit auf ein Vierzigstel reduzieren: auf einen „arithmetischen Mittelrauwert“ von unter 0,2 µm. Das Laserpolieren, bei dem eine hauchdünne Randschicht der Oberfläche nochmals aufgeschmolzen wird, setzt genauso wie der 3D-Druck ein hochreines Material voraus, weshalb konventionell gefertigte Metallbauteile oft Probleme bereiten.

Die Oberflächennachbearbeitung von 3D-Konturen geht in der Industrie bisher nur per Hand. „Um es maschinell zu machen, müssen wir zum Laserpolieren einen Roboter einsetzen, der die Kontur ausreichend genau verfolgen kann, sich also nicht bloß in den drei Raumachsen bewegt“, erklärt Ruck. An einer weiteren Verbesserung dieser Methode werden die Forscher aus Aalen im Rahmen des Smart-Pro-Projekts auch künftig arbeiten.

Metallpulver an den Drucker anpassen

Das Ausgangsmaterial für den Druck des Zahnrads ist eine Aluminiumlegierung, die als Pulver kommerziell erhältlich ist. Doch das muss an den Prozess des verwendeten 3D-Druckers angepasst werden, damit die Qualität stimmt. Diese Aufgabe übernimmt der Materialwissenschaftler und Doktorand Tim Schubert am Institut für Materialforschung (IMFAA) gemeinsam mit Dr. Timo Bernthaler und Rektor Prof. Gerhard Schneider. „Dass der Druck zunächst keine befriedigenden Resultate lieferte, hatte banale Gründe – etwa variierende Restfeuchten in unterschiedlichen Chargen des Pulvers“, erklärt Schubert. Mit verschiedenen Geräten analysieren er und seine Kollegen daher die Eigenschaften der Pulver und Druckerzeugnisse, um sie mit den jeweils gewählten Prozessparametern für den 3D-Druck in Einklang zu bringen. So lassen sich die idealen Einstellungen für das Drucken finden – durch Teamwork in der Forschung.

* Weitere Informationen: Hochschule Aalen – Technik und Wirtschaft in 73430 Aalen, Tel. (0 73 61) 5 76-0, info@hs-aalen.de

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