Verbesserung des Verschleißschutzes einer dünnwandigen Förderschnecke mittels Additiver Fertigung und Funktional Gradierten Materialien

Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik in Berlin erforscht die Additive Fertigung von Funktional Gradierten Materialien für Verschleiß- und Korrosionsschutzanwendungen. So können Bauteile mit individuell angepassten Eigenschaften und einer verlängerten Lebensdauer entweder vollständig additiv hergestellt oder nachträglich verstärkt werden. Nach der erfolgreichen Erforschung für dickwandige Geometrien folgt nun die Übertragung auf einen dünnwandigen komplexen Demonstrator.

Raphael Marquardt, Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

Hochbelastete Stahlbauteile sind in vielen industriellen Anwendungen unverzichtbar, da sie entscheidend für die Effizienz und Sicherheit von Maschinen sind. Um diese Bauteile vor Verschleiß zu schützen, kommen häufig Beschichtungen aus Kobalt-Chrom-Legierungen zum Einsatz. Diese Legierungen bieten zwar einen effektiven Schutz, jedoch führt die sprunghafte Änderung der Materialeigenschaften an der Verbindungsstelle zu Spannungen und Rissen. Solche Abplatzungen können nicht nur die Funktionsfähigkeit der Maschine gefährden, sondern auch ernsthafte Risiken für Mensch und Umwelt darstellen.

Um die Belastbarkeit der Schutzschicht zu verbessern und die Integrität der Bauteile zu gewährleisten, ist es entscheidend, den Übergang zwischen dem Grundwerkstoff und der Schutzschicht zu optimieren. Eine vielversprechende Lösung bietet die Verwendung von funktional gradierten Materialien (FGM), die durch einen schrittweisen Materialübergang die Spannungen reduzieren können. Diese Materialien können mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgetragen werden. Wird der Prozess zum Aufbau ganzer Bauteile verwendet, lässt er sich als Teil der metallischen 3D-Druckverfahren dem Directed Energy Deposition (DED) zuordnen. Die Pulverbasis eröffnet die Möglichkeit, einen FGM Übergang mit zielgenau angepasster Materialverteilung und einer großen Bandbreite an verfügbaren Einzelmaterialien zu fertigen. Die nachträgliche Reparatur und Panzerung ermöglichten außerdem bereits bestehender Bauteile mit dieser Technologie zu verbessern und ihre effektive Einsatzdauer zu erhöhen.

Die Grundlagen eines FGM von Stahl zu Kobalt-Chrom wurden vom Fraunhofer IPK erforscht. Am Beispiel einer dünnwandigen gradierten Schneckengeometrie wurde nun die Einsatzfähigkeit der Methodik demonstriert. Neben der Validierung mittels metallografischer Untersuchungen wurde auch die Aufbaustrategie optimiert. Hierfür wurde in einer Finite Elemente Simulation des DED Prozesses die Pfadplanung virtuell abgebildet und negative Einflüsse auf den Verzug minimiert. Zusätzlich lieferte eine entwickelte künstliche Intelligenz wichtige Informationen über die Prozessqualität auf Basis der der Sensorsignale der Maschine. Mehr zur Arbeit des Fraunhofer IPK finden Sie hier.