„Neue Werkstoffe für die generative Fertigung von Wälzlagern“

Projektlaufzeit: 01.01.2017 bis 31.12.2019

Das Projekt „Neue Werkstoffe für die generative Fertigung von Wälzlagern“ wird durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 gefördert.

Förderkennzeichen: EFRE-0800665

Das Gesamtziel des vorliegenden Forschungsvorhabens besteht in der Befähigung eines in generativen Fertigungsverfahren herstellbaren Werkstoffs für den Einsatz im Wälzlager und der Implementierung von Prozessen zu dessen Verarbeitung. Aus diesem Gesamtziel lassen sich verschiedene Teilziele ableiten, die durch entsprechenden Fachkompetenz des Konsortiums entlang der Entwicklungskette verfolgt werden.

Die kritische Komponente im 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.

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 im 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 zusätzliche innere Spannungen, die durch die martensitische Umwandlung des Mikrogefüges entstehen, bedingt.

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.

Die Innovation des Vorhabens besteht in der erstmaligen Implementierung eines Werkstoffkonzeptes für Wälzlager in das Spektrum der für die additive Fertigung geeigneten Werkstoffe. Dies soll durch die Entwicklung eines auf die Anforderungen von Wälzlagern zugeschnittenen Werkstoffs mit reproduzierbaren Eigenschaften und einer geeigneten Prozessführung zur Herstellung von Lagergeometrien ermöglicht werden. Aufgrund der besonderen Anforderungen an einen Werkstoff für Lagerringe ist ein neues und auf die vorliegende Wälzbelastung zugeschnittenes Werkstoffkonzept erforderlich. Ein derartiges Konzept ist für generative Fertigungsverfahren am Markt aktuell nicht erhältlich.

Des Weiteren erfordert ein neues Werkstoffkonzept auch geeignete Prozesse zu seiner Herstellung und Verarbeitung. Daher werden ebenfalls Prozesse zur Sicherung einer reproduzierbaren Werkstoffherstellung und seiner Verarbeitung mittels kommerziell verfügbarer Anlagentechnik erforderlich und erstmalig geeignete Prozessparameterfenster bestimmt. Die Eignung des neuen Werkstoffs für diesen Anwendungsfall wird anhand der Fertigung verschiedener Proben und Bauteile für die Charakterisierung der mechanischen und tribologischen Eigenschaften nachgewiesen. Zukünftig bieten die neuen Werkstoffkonzepte die Möglichkeit, generative Herstellungsverfahren für Wälzlager weiterzuentwickeln und gegenüber bestehenden Lagerlösungen neue, komplexere Strukturen mit integrierten Funktionalitäten herzustellen sowie Bauteileigenschaften von Lagerringen maßgeschneidert auf den jeweiligen Anwendungsfall zu generieren.

Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT)

• Institut für Anwendungstechnik Pulvermetallurgie und Keramik (IAPK) an der RWTH Aachen e.V.
  ReaLizer GmbH
  CEROBEAR GmbH

Weitere Partner:

• Deutsche Edelstahlwerke GmbH
• VTN Witten GmbH

PROJEKTTRÄGER
Projektträger Jülich, Forschungszentrum Jülich GmbH

CEROBEAR GmbH
Kaiserstr. 100
52134 Herzogenrath

Beate Bergrath
Tel. 02407 /9556-22
E-Mail: beate.bergrath@cerobear.de