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Additive Fertigung Schall mittels Pulver dämpfen

| Autor/ Redakteur: Thomas Künneke (M.Sc.), Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer* / Dorothee Quitter

Die Kombination von Gestaltungsfreiheit und Prozesseigenschaften additiver Fertigungsverfahren ermöglicht die Funktionsintegration von Dämpfungsstrukturen. So kann bei pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren disperses Stützmaterial innerhalb von Hohlräumen in der Struktur verbleiben und dort als Partikeldämpfer dienen.

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Bei der Ankerscheibe einer Federkraftbremse kann durch die additive Fertigung verbunden mit der Funktionsintegration von Partikeldämpfern eine Reduzierung der Schallabstrahlung für den Schaltvorgang der Bremse erreicht werden.
Bei der Ankerscheibe einer Federkraftbremse kann durch die additive Fertigung verbunden mit der Funktionsintegration von Partikeldämpfern eine Reduzierung der Schallabstrahlung für den Schaltvorgang der Bremse erreicht werden.
(Bild: DMRC)

In der Technik treten periodische Bewegungsvorgänge sehr häufig auf. Besonders mechanische Schwingungen im Verständnis von Vibrationen sind bei der Auslegung von Bauteilen von Interesse. Diese sind teils erwünscht, z.B. bei Vibrationsförderern. Angetrieben durch einen immer stärkeren Drang nach Leichtbau werden Bauteile jedoch stets schlanker und dadurch schwingungsanfälliger. Die Folge sind reduzierte Lebensdauern, höhere Schallabstrahlung und eine Verringerung der Funktionalität bzw. der Gebrauchsfähigkeit. Um diese Effekte zu vermindern, ist die Reduktion der Schwingungen notwendig.

Die Reduktion von Schwingungen durch Dämpfung erfordert aktuell den Einsatz von speziellen Dämpfungselementen. Diese müssen meist in einem zusätzlichen Montageschritt an das technische System montiert werden und ziehen damit zusätzlichen Bauraum sowie höhere Herstell- und Montagekosten nach sich. Aus diesem Grund ist eine Funktionsintegration der Dämpfungsstrukturen in die schwingungsbelasteten Bauteile anzustreben. Konventionelle Fertigungsverfahren stoßen hier allerdings an ihre Grenzen. Die steigende Komplexität der Bauteile führt bei den konventionellen Fertigungsverfahren zu höheren Fertigungskosten.

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Additive Fertigung ermöglicht Funktionsintegration

Durch den schichtweisen Aufbau der Bauteile und den Verzicht auf formgebende Werkzeuge ermöglichen additive Fertigungsverfahren große Freiheiten in der Gestaltung der zu fertigenden Bauteile. So können komplexe Bauteile mit Hohlräumen im Inneren der Struktur wirtschaftlich hergestellt werden. Die unterschiedlichen Fertigungsprozesse der additiven Fertigungsverfahren weisen unterschiedliche Eigenschaften auf. So wird bei den pulverbasierten Fertigungsverfahren wie z.B. dem Lasersintern (LS) oder dem Laserstrahlschmelzen (LBM), pulverförmiger Ausgangswerkstoff verwendet. Dieser dient im Fertigungsprozess zugleich als disperses Stützmaterial, welches meist im Anschluss an den Fertigungsprozess vom Bauteil getrennt wird. [1]

Die Kombination der Gestaltungsfreiheit mit den Prozesseigenschaften der additiven Fertigungsverfahren gibt die Möglichkeit zur Funktionsintegration von Dämpfungsstrukturen in Bauteile. Hierzu kann der pulverförmige Ausgangswerkstoff in Hohlräumen innerhalb des Bauteils belassen werden und wirkt dort als Partikeldämpfer. [2,3]

Schallabstrahlung in Bremssystemen reduzieren

Elektromagnetische Federkraftbremsen werden in vielen Antriebssystemen zur Verzögerung und zum Halten eingesetzt. Dazu wird beim Verknüpfen (Betätigen der Bremse) die Ankerscheibe über Druckfedern gegen den auf der Welle axial beweglichen Rotor mit den Bremsbelegen gedrückt (vgl. Abbildung 1). Dieser wird gegen das Motorgehäuse gedrückt und über den Reibschluss wird das Bremsmoment aufgebaut. Das Lüften der Bremse (Lösen der Bremse) geschieht über einen Elektromagnet, der die Ankerscheibe vom Rotor abzieht. Beim Verknüpfen prallt die Ankerscheibe impulsartig auf den Rotor. Hierdurch werden Schwingungen im Bremssystem angeregt, die zu einer unerwünschten Schallabstrahlung führen. Zur Verminderung dieser Schallabstrahlung ist das Einbringen von Dämpfungselementen zweckmäßig. Aktuell werden hierfür zusätzliche Dämpfungselemente eingesetzt. [4]

Diese zusätzlichen Dämpfungselemente sind durch einen erhöhten Fertigungs- und Montageaufwand gekennzeichnet. Im Sinne der Funktionsintegration und einhergehend mit einer Reduktion der Fertigungs- und Montageschritte ist eine direkte Integration der Dämpfungsstrukturen anzustreben. Die Nutzung der Potentiale der additiven Fertigungsverfahren zur Integration von Partikeldämpfern verspricht Verbesserungen.

Additiv gefertigte Ankerscheibe mit Dämpfungsfunktion

Betrachtet wird eine Federkraftbremse mit einem Nennmoment von 80 Nm und einem Ankerscheibendurchmesser von 190 mm und einer Ankerscheibendicke von 10 mm. Um die Dämpfungsfunktion in die Ankerscheibe zu integrieren, wurde ein segmentierter Hohlraum, bestehend aus acht Einzelkammern, eingefügt (vgl. Abbildung 2). Durch eine Versteifung in Bereichen der Verschraubungen wird die Aufnahme der Aufprallkräfte beim Verknüpfen der Bremse verbessert. Die Fertigung erfolgte mit einer Laserschmelzanlage vom Typ SLM280HL aus dem Edelstahl 316L (1.4404).

Die Verwendung des nicht magnetischen Edelstahlwerkstoffs macht eine Untersuchung an einer konventionellen, magnetisch arbeitenden Federkraftbremse unmöglich, da hier zum Lüften (Lösen der Bremse) die Ankerscheibe durch den Elektromagnet angezogen werden müsste. Verwendet wurde ein neu entwickeltes Funktionsmuster, das das Lüften der Bremse durch mechanische Prinzipien ausführt. Zur experimentellen Ermittlung des Dämpfungsverhaltens wurden Schalldruckpegelmessungen während des Schaltvorgangs der Federkraftbremse durchgeführt. Der Vergleich des Schalldruckpegels der Bremse mit konventionell gefertigter Ankerscheibe ohne Dämpfungsfunktion mit dem Schalldruckpegel der additiv gefertigten Ankerscheibe mit integrierter Dämpfungsfunktion liefert Aussagen über das Dämpfungsverhalten.

Reduzierung des Schaltgeräusches wurde bestätigt

Die Messungen des Schalldrucks sind mit einem Schallpegelmessgerät im Abstand von 1 m zur Bremse durchgeführt worden. Zur Bewertung des tatsächlichen Schalldruckpegels wurde ein Frequenzfilter mit Kennlinie C verwendet [5]. Die statistische Absicherung erfolgt durch jeweils fünf Messungen pro Schaltvorgang.

Die Schallabstrahlung beim Verknüpfen der Federkraftbremse konnte durch Einbringung von additiv gefertigten Partikeldämpfern in die Ankerscheibe im Mittel um 7,86 dB(C) reduziert werden (vgl. Abbildung 3). Dies unterstreicht die Anwendbarkeit additiv gefertigter Partikeldämpfer in der Praxis. Durch die Versuche konnte trotz der großen Streuung der Messwerte für die additiv gefertigte Ankerscheibe die subjektiv wahrnehmbare Reduzierung des Schaltgeräusches bestätigt werden. Die Streuung der Messwerte kann möglicherweise durch die Verfestigung des Pulvers durch die Vibrationen erklärt werden. Hierzu sind weitere Untersuchungen geplant.

Literatur

[1] Gebhardt, A.: Generative Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D Drucken für Prototyping ; Tooling ; Produktion, 1. Aufl. ed. Carl Hanser Fachbuchverlag, 2013, pp. 672.

[2] Künneke, T., Zimmer, D.: Funktionsintegration additiv gefertigter Dämpfungsstrukturen bei Biegeschwingungen, in: Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen. 1. Tagung des DVM-Arbeitskreises "Additiv gefertigte Bauteile und Strukturen", Berlin. 02.-03.11.2016, pp. 61-74.

[3] Künneke, T., Zimmer, D.: Funktionsintegration additiv gefertigter Dämpfungsstrukturen bei Biegeschwingungen, in: Additive Fertigung von Bauteilen und Strukturen, Springer Vieweg Verlag, ISBN 978-9-658-17779-9, Wiesbaden, 2017, pp. 151-160.

[4] Wecker, M. Beitrag zur Geräuschminderung an Federkraftbremsen. Der Andere Verl., Uelvesbüll, 2013, S. 139.

[5] DIN EN 61672-1. Elektroakustik – Schallpegelmesser – Teil 1: Anforderungen, vol. 17.140.50, Berlin, 2014.

* Thomas Künneke (M.Sc.), Prof. Dr.-Ing. Detmar Zimmer, beide Lehrstuhl für Konstruktions- und Antriebstechnik sowie Direct Manufacturing Research Center, Universität Paderborn

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