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Antriebswellenbau Forscher zeigen die spiralige Art der Antriebswellenfertigung

Redakteur: Peter Königsreuther

Mit dem sogenannten Express Wire Coil Cladding können Antriebswellen additiv und ressourcenschonend oberflächenbearbeitet werden. Und so funktioniert's...

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Express Wire Coil Cladding, kurz EW2C-Verfahren, führt in drei Schritten zu hochwertigeren Bauteilen dieser Art. Von rechts: 1. Vorplatzieren, 2. Aufschweißen und 3. Nacharbeiten.
Express Wire Coil Cladding, kurz EW2C-Verfahren, führt in drei Schritten zu hochwertigeren Bauteilen dieser Art. Von rechts: 1. Vorplatzieren, 2. Aufschweißen und 3. Nacharbeiten.
(Bild: Fraunhofer-IPT)

Das Express Wire Coil Cladding, kurz EW2C-Verfahren, ist drahtbasiert und gehört zur Additiven Fertigung. Per Lasereinsatz wird dabei ein Bauteil oder eine Struktur durch schichtweises Verbinden metallischer Werkstoffe aufgebaut, erklären die Projektbeteiligten vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen.

Im Gegensatz zum klassischen Laserauftragschweißen werde der Werkstoff aber 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.

Mit Materialmix-Vorteil mit Taktzeiten wie beim Drehen!

Weil 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 günstiger und ressourceneffizienter herstellbar macht“, so Robin Day, Leiter der Abteilung Additive Fertigung und Laserstrukturieren am Fraunhofer-IPT.

Blick auf die bewegliche Einhausung für das EW2C-Verfahren des Fraunhofer-IPT. Weil man Schutzgas so effektiv nutzen kann, steigt die Prozessqualität, heißt es.
Blick auf die bewegliche Einhausung für das EW2C-Verfahren des Fraunhofer-IPT. Weil man Schutzgas so effektiv nutzen kann, steigt die Prozessqualität, heißt es.
(Bild: Fraunhofer-IPT)

Die Untersuchungen der vergangenen Monate sollen allgemein für frohe Gesichter sorgen, denn die innere Spannung der Drahtspiralen verbessere die Prozessstabilität im Vergleich zum herkömmlichen drahtbasierten Laserauftragschweißen um den Faktor 10. Und weil auch ungewollte Bewegungen des Drahts während des Schweißvorgangs verhindert werden, wird das Ganze präziser, heißt es. Auch konnten die Forscher beweisen, dass sich das EW2C-Verfahren sehr gut für den Auftrag relativ großer Schichtdicken eignet. So haben man je nach Drahtstärke in einer einzelnen Schicht zwischen 0,5 und 2 mm Material aufbringen können.

Und, ganz erstaunlich, dabei stellten sie fest, dass ihr Verfahren mit den typischen Taktzeiten beim Drehen mithalten kann! In den Versuchsreihen dauerte das Aufschweißen einer 25 mm hohen Spirale aus Inconel 718 mit 1,2 mm Drahtdurchmesser auf eine Stahlwelle mit einem 35-mm-Außendurchmesser nur knapp 60 s.

Durch das Wiederholen der Schritte ließen sich rasch mehrere Millimeter Material auftragen. Selbst unterschiedliche Materialkombinationen seien dadurch machbar, sodass außer dem Aufbau von Geometrien auch eine technische Funktionalisierung der Bauteiloberfläche gelingen kann, wie die Experten meinen.

Weitere Anwendungsfelder und Künstliche Intelligenz

Um das neue Verfahren, das bereits zum Patent angemeldet ist, noch weiter zu verbessern, arbeitet das Team um Robin Day an einer weiteren Optimierung der Prozessstabilität und der Automatisierung des Prozesses. Dazu sind bereits verschiedene Vorrichtungen zum automatisierten Platzieren der Drahtspiralen auf den Wellen in der Erprobung, heißt es weiter. „Um die Prozessgeschwindigkeit weiter zu steigern, experimentieren wir damit, die Brennfleckgeometrie zu vergrößern und so mehrere Spiralwendeln gleichzeitig zu bestrahlen und aufzuschmelzen“, erläutert Day. Darüber hinaus sollen zukünftig durch Kombination unterschiedlicher Spirallängen und weiterer Drahtwerkstoffe auch hochkomplexe Volumenelemente auf Wellen appliziert werden. Dazu untersucht man, ob das Verfahren auch für massive Wellen sowie für dünnwandige Hohlwellen und Rohre genutzt werden kann.

Mit integrierter Sensorik in der vorhandenen Maschinenumgebung in Aachen können während des Prozesses zusätzlich unterschiedliche Daten erfasst und mit Ansätzen der künstlichen Intelligenz weiterverarbeitet werden, merken die Forscher an. 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, kräftige Innovationsschübe in Branchen auszulösen, die sich seit Jahrzehnten zwar evolutionär, jedoch nicht revolutionär weiterentwickelt haben“, ist sich Day sicher. Die Additive Fertigung sei dazu besonders im Metallverarbeitungsbereich ein vielversprechender Ansatz.

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