Technologien
Eine bewegliche Einhausung ermöglicht einen effektiven Einsatz von Schutzgas, wodurch eine hohe Prozessqualität erzielt wird. - © Fraunhofer IPT
22.11.2020

Antriebswellen: Ressourcenschonende Alternative für die Fertigung

Antriebswellen: Ressourcenschonende Alternative für die Fertigung

Wellen sind als Kraft- und Drehmomentüberträger unscheinbare und doch unersetzliche Bestandteile von Autos, Flugzeugen, Schiffen oder Windkraftanlagen. Weltweit werden jedes Jahr Milliarden dieser Bauteile in unterschiedlichen Größen produziert, die meisten mit Absätzen oder anderen Oberflächenmerkmalen. Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT entwickelte nun das additive Verfahren „Express Wire Coil Cladding“ (kurz: EW2C) zur Oberflächenbearbeitung von Wellen. Das EW2C-Verfahren bietet eine ressourcenschonende und kostengünstige Alternative zu gängigen abtragenden Verfahren der Wellenbearbeitung wie dem Drehen.

Das Express Wire Coil Cladding ist ein drahtbasiertes additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Bauteil oder eine Struktur mit einem Laser durch schichtweises Verbinden metallischer Werkstoffe aufgebaut wird. Im Gegensatz zum klassischen Laserauftragschweißen wird der Werkstoff nicht kontinuierlich als Draht zugeführt. Stattdessen wird der Draht in Form von Spiralen an die gewünschten Stellen der Welle geschoben und dort mit einem Hochleistungslaser aufgeschweißt. Da die Drahtspiralen unter Spannung auf der Welle platziert sind, können sie während des Laserprozesses nicht verrutschen.

„Unsere Idee war es, die Wellenfertigung nicht nur kosmetisch zu verändern. Wir wollten ein leistungsfähiges Verfahren entwickeln, das die Fertigung komplexer Wellen kostengünstiger und ressourceneffizienter macht“, sagt Robin Day, Leiter der Abteilung Additive Fertigung und Laserstrukturieren am Fraunhofer IPT.

Die drei Schritte des EW2C-Verfahrens: Vorplatzieren, Aufschweißen und Nachbearbeiten (von rechts nach links). - © Fraunhofer IPT
Die drei Schritte des EW2C-Verfahrens: Vorplatzieren, Aufschweißen und Nachbearbeiten (von rechts nach links). © Fraunhofer IPT
Materialmix und rascher Strukturaufbau

Die Untersuchungen der vergangenen Monate stimmen die Fraunhofer-Wissenschaftler zuversichtlich: Die Spannung der Drahtspiralen verbessert die Prozessstabilität im Vergleich zum herkömmlichen drahtbasierten Laserauftragschweißen um den Faktor Zehn, da ungewollte Bewegungen des Drahts während des Schweißvorgangs verhindert werden. Auch konnten die Forscher beweisen, dass sich das EW2C-Verfahren sehr gut für den Auftrag große Schichtstärken eignet: In einer einzelnen Schicht konnten sie, je nach Drahtdicke, zwischen 0,5 und 2 Millimeter Material aufbringen. Dabei stellten sie fest, dass ihr Verfahren mit den Taktzeiten beim Drehen mithalten kann: In den Versuchsreihen dauerte das Aufschweißen einer 25 Millimeter hohen Spirale aus Inconel 718 mit 1,2 Millimeter Drahtdurchmesser auf eine Stahlwelle mit einem 35 Millimeter-Außendurchmesser nur knapp 60 Sekunden.

Durch das Wiederholen der Schritte ließen sich rasch mehrere Millimeter Material auftragen. Selbst unterschiedliche Materialkombinationen sind dadurch möglich, sodass neben dem Aufbau von Geometrien auch eine technische Funktionalisierung der Bauteiloberfläche gelingen kann.

Eine bewegliche Einhausung ermöglicht einen effektiven Einsatz von Schutzgas, wodurch eine hohe Prozessqualität erzielt wird. - © Fraunhofer IPT
Eine bewegliche Einhausung ermöglicht einen effektiven Einsatz von Schutzgas, wodurch eine hohe Prozessqualität erzielt wird. © Fraunhofer IPT
Weiterentwicklungen für massive Wellen, dünnwandige Hohlwellen und Rohre

Um das neue Verfahren, das bereits zum Patent angemeldet ist, noch weiter zu verbessern, arbeitet das Team von Robin Day an einer weiteren Optimierung der Prozessstabilität und der Automatisierung des Prozesses: Verschiedene Vorrichtungen zum automatisierten Platzieren der Drahtspiralen auf den Wellen sind bereits in der Erprobung. „Um die Prozessgeschwindigkeit weiter zu steigern, experimentieren wir damit, die Brennfleckgeometrie zu vergrößern und so mehrere Spiralwendeln gleichzeitig zu bestrahlen und aufzuschmelzen“, erläutert Robin Day. Darüber hinaus sollen zukünftig durch Kombination unterschiedlicher Spirallängen und weiterer Drahtwerkstoffe auch hochkomplexe Volumenelemente auf Wellen aufgebracht werden. Zu diesem Zweck testen die Forscher die Eignung des Verfahrens ebenso für massive Wellen wie auch für dünnwandige Hohlwellen und Rohre.

Mit integrierter Sensorik in der vorhandenen Maschinenumgebung am Fraunhofer IPT werden während des Prozesses zusätzlich unterschiedliche Daten erfasst und mit Ansätzen der künstlichen Intelligenz weiterverarbeitet. Die aufbereiteten Daten sollen die Basis bilden, um den EW2C-Prozess für unterschiedliche Werkstoffe und Prozessparameter zu modellieren und aktiv zu regeln. „Durch Konzepte wie EW2C kann es gelingen, Innovationsschübe in Branchen auszulösen, die sich seit Jahrzehnten zwar evolutionär, jedoch nicht revolutionär weiterentwickelt haben. Die Additive Fertigung bietet besonders im Metallbereich großes Potenzial. Wir haben gerade erst angefangen, diesen Weg zu beschreiten“, sagt Robin Day begeistert.

(Quelle: Presseinformation des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT)

Schlagworte

Additive FertigungAufschweißenFügetechnikLasertechnologienSchweißtechnik

Verwandte Artikel

20.11.2024

Update: DIN EN ISO 15614-5 „Schweißverfahrensprüfung für das Schweißen von Titan, Zirkonium und deren Legierungen“

Es gibt eine Neufassung der DIN EN ISO 15614-5 „Anforderung und Qualifizierung von Schweißverfahren für metallische Werkstoffe – Schweißverfahrensprüfung – Teil 5: Lichtb...

Lichtbogenschweißen Metall-Intergasschweißen MIG Schweißen Plasmaschweißen Schweißtechnik Schweißverfahrensprüfung Titan Titanlegierungen Vorläufige Schweißanweisung WIG Schweißen Wolfram-Inertgasschweißen Zirkonium Zirkoniunmlegierungen
Mehr erfahren
OCT ermöglicht präzise Nahtführung und Nahtqualitätsprüfung (rosa Scanlinien) beim automatisierten MSG-Schweißen durch direkte optische Höhenmessungen in Echtzeit.
19.11.2024

OCT für automatisiertes konventionelles Schweißen in der Automobilindustrie

Ähnlich wie beim Laserschweißen vereinfacht die optische Kohärenztomographie auch den Betrieb des robotergeführten, automatisierten MSG-Schweißens.

Automobilindustrie Metall-Schutzgasschweißen MSG Schweißen OCT Optische Kohärenztomographie Roboterschweißen Schweißen Schweißtechnik
Mehr erfahren
Leah Dockter, Technische Vertriebsleiterin von Wegener Welding, und Detlef Hellwig, Fachausbilder des SKZ.
15.11.2024

SKZ ehrt Wegener Welding America als „Premiumpartner Bildung“ 2024

Wegener Welding aus Amerika ist „Premiumpartner Bildung“ des SKZ. Seit 2000 bringen sie gemeinsam durch die Ausbildung von Kunststoffschweißern deutsche Standards in die...

Fügen von Kunststoffen Kunststoffplatten Kunststoffrohre Kunststoffschweißen Schweißtechnik
Mehr erfahren
15.11.2024

PSA hat ihre Grenzen

Dass man sich mithilfe Persönlicher Schutzausrüstung unter anderem vor Schweißspritzern und gesundheitsgefährdenden Rauchgasen beim Schweißen schützen muss, wissen alle,...

Arbeitsschutz Gefahrstoffverordnung Gesundheitsschutz Persönliche Schutzausrüstung PSA Punktabsaugung Schweißrauchabsaugung Schweißrauche Schweißtechnik
Mehr erfahren
14.11.2024

Update: Merkblatt DVS 0201 „Technische Gase – Sauerstoff“

Mit Ausgabedatum November 2024 ist eine Neufassung des Merkblatts DVS 0201 „Technische Gase für Schweißen, Schneiden und verwandte Verfahren – Sauerstoff“ erschienen.

Schneiden Schneidtechhnik Schweißen Schweißtechnik Technische Gase
Mehr erfahren