Pulvermetallurgie – Alternative für den Triebstrang

Zusammenfassung

Das stetige Wachstum der Pulvermetallurgie als Fertigungsverfahren für die Automobilindustrie ist zum einen in einer konsequenten Weiterentwicklung von Materialien und Fertigungsmaschinen sowie in der immer breiteren Berücksichtigung durch die Konstrukteure begründet.

Die fertigungsgerechte Konstruktion von PM-Bauteilen ist notwendig, um die Potentiale der Pulvermetallurgie zu heben. Das „Simultaneous Engineering“ zwischen Zulieferer und Kunde nimmt hier eine entscheidende Rolle ein. Es ist zwingend erforderlich, dass die Getriebekonstruktion bereits in einem frühen Entwurfsstadium mit der Entwicklungsabteilung des PM-Teile-Lieferanten zusammenarbeitet.

Die Potentiale der Pulvermetallurgie für die Getriebeproduktion sind im Folgenden in Bild 0-1 zusammengefasst und werden in den folgenden Abschnitten näher beschrieben. Im Einzelnen sind als Vorteile der Pulvermetallurgie die Gestaltungsfreiheit, die Gewichtsminimierung, die Maßhaltigkeit, die Festigkeit und die Ressourceneffizienz zu nennen.

Bild 0-1: Merkmale pulvermetallurgisch hergestellter Getriebekomponenten

Gestaltungsfreiheit

Mittels Pulvermetallurgie lassen sich komplexe Geometrie schon während des Pressens urformend herstellen. Der Zusatzaufwand für die Herstellung von Nebenformelementen und Bohrungen ist gering und die Genauigkeiten sind hoch. Sollte die Endkontur aufgrund von besonders hohen Anforderungen an Form- und Lagetoleranzen (ab IT7) nachbearbeitet werden müssen, so sind die Bearbeitungszuschläge im Vergleich zum Schmieden oder Gießen gering, wodurch Bearbeitungszeiten verkürzt und Werkzeuge geschont werden können. Darüber hinaus zeichnet sich die Pulvermetallurgie durch Ihre hohe Reproduzierbarkeit aus.

Die Pulvermetallurgie bietet die Möglichkeit, die Zahnfußausrundung außerhalb der Grenzen des Wälzfräsens zu erzeugen und somit spannungsreduzierte Konstruktionen zu gestalten. Durch eine PM-gerechte Auslegung lässt sich somit die Leistungsdichte des Getriebes steigern.

Bild 0-1: Pulvermetallurgisch optimierte Zahnfußgeometrie

Darüber hinaus lassen sich Funktionen in PM Bauteile wie z.B. Lagersitze, Montagebohrungen, Leichtbaudesign, etc. integrieren. Das gesamte Potential wird dann gehoben, wenn mehrere konventionell hergestellte Bauteile durch ein PM Bauteil substituiert werden und somit Arbeitsschritte wie das Fügen eliminiert werden können.

Bild 1-1: Beispiele für PM Getriebebauteile: Laufverzahnungen, Planetenträger, Kettenräder, Kupplungskomponenten, Lamellenträger, Synchronisationen

Gewichtsminimierung

Aufgrund der Porosität sind PM Werkstoffe grundsätzlich 5-10% leichter als Stahl. Die lokale Nachverdichtung steigert die Dichte und damit die Festigkeit in den hochbelasteten Bereichen, wobei der Gewichtsvorteil des Gesamtbauteils erhalten bleibt.

Über die Materialdichte hinaus bietet die Gestaltungsfreiheit der Pulvermetallurgie die Möglichkeit Leichtbaustrukturen zu fertigen ohne einen nennenswerten fertigungstechnischen Mehraufwand.

Bild 2-1 zeigt ein Beispiel, wie durch eine PM gerechte Auslegung und den konsequenten Einsatz von Bohrungen zur Gewichtsersparnis die Masse eines Kettenrades um 23% gesenkt werden konnte.

Bild 2-1: Leichtbauweise durch den Einsatz der Pulvermetallurgie

Die Gewichtsersparnis durch den Einsatz der Pulvermetallurgie vor allem bei rotierenden Bauteilen leistet einen Beitrag zur Kraftstoffeinsparung und hilft dabei CO2 Emissionen zu reduzieren.

Maßhaltigkeit und Oberfläche

Die Pulvermetallurgie zeichnet sich im Vergleich zu anderen ur- und umformenden Verfahren durch hohe erreichbare Toleranzen und durch eine hohe Reproduzierbarkeit aus. Bild 3-1 zeigt einen Vergleich der erreichbaren Toleranzen für den Durchmesser unterschiedlicher Fertigungsverfahren.

Bild 3-1: Richtwerte für die erreichbaren Toleranzen verschiedener Fertigungsverfahren (nach W. Michaeli)

Die erreichbaren Formtoleranzen sind fertigungsbedingt unterschiedlich und zwar in Abhängigkeit davon, ob es sich um Durchmesser, Längen, Höhen etc. handelt. Gleiches gilt für die Lagetoleranzen. Für eine kostengünstige und fertigungsgerechte Konstruktion ist es wichtig, dass bereits in einem frühen Entwicklungsstadium der PM-Teile-Zulieferer in den Konstruktionsprozess  der Getriebekomponenten involviert wird.

Die Oberfläche hat einen Einfluss auf die Festigkeit und auf den Wirkungsgrad. Zur Festigkeits-steigerung und zur Reibungsverringerung werden glatte Oberflächen angestrebt. Bild 3-2 zeigt rechts die Fotografie eines gewalzten pulvermetallurgischen Zahnrades und links zum Vergleich die Fotografie einer fertigwälzgefrästen Verzahnung. Die Oberfläche des wälzgefräste Variante erreicht eine gemittelte Rauhtiefe von Rz = 1,72 µm. Die gewalzte Oberfläche hat eine Rauhtiefe von Rz = 1,03 µm.  Die Oberfläche von gewalzten pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrädern ist auf den Flanken spiegelglatt. Es sind schwache Riefen in Bearbeitungsrichtung bzw. in Profilrichtung zu erkennen. Im Fußbereich der gewalzten Verzahnung ist die Oberfläche flittrig. Die fertigwälzgefräste Oberfläche ist von Vorschubmarkierungen gezeichnet. Zudem zeichnet sich die Schartigkeit des Fräsers in Form von Riefen ab

Bild 3-2: Oberflächen pulvermetallurgisch hergestellter Zahnräder

Materialeigenschaften und Festigkeit

Pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile besitzen verfahrensbedingt eine Porosität, die zu einer Reduktion der Festigkeit führt. Durch ein Walzen im Anschluss an das Pressen und Sintern wird das Randgefüge verdichtet, so dass die hochbelasteten Zonen verfestigt werden. Die Kombination aus Nachverdichten und Einsatzhärten führt zu identischen Festigkeiten wie sie von konventionell spanend hergestellten Zahnrädern bekannt sind.  Bild 4-1 zeigt repräsentative Ergebnisse von Festigkeits- und Geräuschuntersuchungen pulvermetallurgisch hergestellter Zahnräder.

Bild 4-1: Vergleich weichbearbeiteter Zahnräder

Nachverdichtete PM-Bauteile haben sogar das Potential, höhere Festigkeiten als Zahnrädern aus konventionellem Einsatzstahl zu erzielen. Das liegt an der freien Wahl der Legierungselemente und der damit verbundenen Möglichkeit das Legierungssystem optimal zu gestalten. Darüber hinaus haben PM Stähle im Vergleich zu konventionellen Schmiedestahlen einen höheren Reinheitsgrad. Zudem wirkt sich das gerichtete Gefüge (Faserverlauf) nach dem Walzen positiv auf die Tragfähigkeit aus. Die Summe aus diesen Effekten führt zu einer Erhöhung der Belastbarkeit.

Nachhaltiger Ressourceneinsatz

Eine Herausforderung der verarbeitenden Industrie sind weltweit steigende Rohstoff- und Energiekosten. Es ist damit zu rechnen, dass die Kosten aufgrund einer globalen Verknappung und politisch motivierter Exportbeschränkungen weiter steigen werden. Unter diesen Voraussetzungen ist die effiziente Nutzung von Materialressourcen für die erfolgreiche Produktion der Zukunft Voraussetzung.

Lösungsansätze bieten neben der Verbesserung der konventionellen Verfahren vor allem radikale Innovationen bei der Getriebefertigung. Ur- und umformende Herstellungsverfahren, bei denen der Rohstoff- und der Energieeintrag im Vergleich zu zerspanenden Verfahren gering sind, bieten ein hohes Potenzial zur Ressourceneffizienz. Im Vergleich zu spanenden Herstellungsverfahren zeichnen sich urformende und umformende Verfahren generell durch eine hohe Materialausnutzung und durch einen geringeren Energieverbrauch aus. Innerhalb der Gruppe der Ur- und Umformverfahren zeichnet sich die Pulvermetallurgie als besonders energie- und ressourceneffizientes Verfahren aus, dies gilt vor allem wenn die erreichbaren Toleranzen mitbetrachtet werden. Somit kann die Pulvermetallurgie einen signifikanten Beitrag zur nachhaltigen Produktion liefern.

Bild 5-1 zeigt einem Vergleich des Energieverbrauchs und der Materialausnutzung unterschiedlicher Fertigungsverfahren. Die Werte wurden durch die EPMA exemplarisch für eine Getriebekomponente ermittelt.

Bild 5-1: Energieverbrauch und Materialausnutzung unterschiedlicher Fertigungsverfahren [EPMA]

Autor des Artikels

Dr. Philipp Kauffmann

Stackpole Powertrain International