Getriebeentwicklung Wie wirtschaftlich ist die additive Fertigung?

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John Deere nutzt additive Fertigung für einige seiner Produkte. Im Kitkadd-Projekt untersuchte der Landmaschinenhersteller gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Produktion die Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Prozessketten an komplexen Bauteilen.

Ein Bauteil additiv zu fertigen ist teurer als mit subtraktiver Herstellung. Trotzdem spricht einiges dafür. Beim Kitkadd-Projekt untersuchte Landmaschinenhersteller John Deere mit Partnern aus Forschung und Produktion, inwieweit eine Produktion mit additiver Fertigung rentabel ist. Dafür wurden hybride Prozessketten mit konventionellen und additiven Verfahren aufgebaut und Komponenten ausgewählt, die einen Mehrwert durch additives Design versprechen.

Eine solche Komponente sind Sonnenräder. Sie gehören zu Planetengetrieben im Endantriebsstrang von Landmaschinen und sind hohen Belastungen ausgesetzt. Denn sie übertragen die Kraft vom Differentialgetriebe zu den Hinterrädern. Mit den Möglichkeiten der additiven Fertigung wollte John Deere folgendes Problem lösen: Bei den Sonnenrädern werden die Zähne per Tauchgang in einem Ölbad geschmiert. Eine optimale Schmierung aller Zahnflanken ist dadurch jedoch nicht gegeben. Innenliegende Ölkanäle sollten das verbessern. Dabei galt es, die Schmierstoffmenge und Eigenschaften des Sonnenrades nicht zu verändern. Auch weitere Optimierungen sollte das Bauteil nicht erfahren, damit es weiterhin in das unveränderte Getriebe passt. Das Ziel war also, ein Sonnenrad zu fertigen, das Kavitäten (Kanäle) im Welleninneren mit Flüssigkeitsaustrittskanäle an den Zahnfüßen besitzt.

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Tropfenförmige Ölkanäle im Sonnenrad sorgen für besseren Fluss

Gemeinsam mit der Universität Paderborn designte John Deere das passende Sonnenrad. Zu beachten sind in der Konstruktion die vielen Einflüsse auf das Förderverhalten: die Form und Breite der Kanäle sowie die Durchmesser und Anzahl der Austrittskanäle. Beim Eintauchen in das Ölbad sammelt sich die Flüssigkeit in den Kanälen, beim Auftauchen wird sie ausgeworfen. Um diese Vorgänge zu verbessern, wählte das Projektteam eine tropfenförmige Kavitätsgeometrie, die in Austrittskanälen mündet. Auch die Eintrittsöffnung wurde angepasst. Dort sorgen Schaufeln für eine bessere Flüssigkeitsförderung.

Nach Testläufen auf einem realitätsnahen Prüfstand kam noch eine Abstreiflippe hinzu. Da abgeschleudertes Öl an der Wellenaußenseite haften blieb (Oberflächenadhäsion), streift die Lippe nun das Schmieröl an der Wellenrotationsachse ab, um die Adhäsion zu verhindern. Als Werkstoff dient ein Standardeinsatzstahl, eine Mangan-Chrom-Legierung.

Das Sonnenrad besteht aus fünf Elementen. Ein Wellenschaft überbrückt die Distanz zwischen Kraftein- und -ausleitung. Davor liegt die Steckverbindung, die über das Differentialgetriebe angetrieben wird. Hinter dem Wellenschaft befindet sich die Spline. Sie überträgt die Kraft auf die Bremsscheibe. Die Laufverzahnung dient als Krafteinleitung ins Planetengetriebe. Darin befinden sich die innenliegenden Geometrien für die Schmierung der Zahnflanken der Laufverzahnung.

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Jede Variante erfordert mehrere Verfahren

Die innenliegenden Geometrien sind mit konventionellen Verfahren nicht realisierbar, im SLM-Verfahren
(selektives Laserschmelzen) schon. Aber ist es dann noch wirtschaftlich? Um das herauszufinden, stellte John Deere drei Fertigungsmöglichkeiten gegenüber: rein konventionell, rein additiv und eine Mischung aus beiden. Da die innenliegenden Kanäle mit konventionellen Verfahren nicht umsetzbar sind, wurden sie für die konventionelle Variante durch Bohrungen simuliert.

Der Ablauf in der konventionellen Herstellung ist: Zunächst Anliefern und Drehen des Rohteils, dann Walzfräsen der Spline sowie Lauf- und Steckverzahnung, Bohren der Innenkontur, Schleifen der Laufverzahnung sowie schließlich Härten des Bauteils.

Die rein additive Prozesskette beginnt mit dem Drucken der Bauteile bei ausgelastetem Bauraum. Auch hier werden Spline sowie Lauf- und Steckverzahnung per Walzfräsen erarbeitet. Es folgen dann das Schleifen der Laufverzahnung und schließlich, wie bei der konventionellen Fertigung, das Härten des gesamten Bauteils.

Wird das Sonnenrad hybrid gefertigt, beginnt der Prozess beim Drehen der Steckverzahnung, des Wellenschafts und der Spline. Die Laufverzahnung mit ihrer Innenkontur wird gedruckt. Es folgt das Walzfräsen der Lauf- und Steckverzahnung, das Schleifen der Laufverzahnung sowie das übliche Härten.

Da die rein konventionelle Fertigung nicht umsetzbar ist, findet der Vergleich sowohl in einem Simulationsprogramm als auch im Technologieketten-Planungstool des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) statt. Das Programm entstand innerhalb des Projekts und dient dazu, die bestmöglichen Fertigungsverfahren sowohl für die jeweiligen Komponenten als auch für den jeweiligen Prozessschritt zu finden und optimal zu kombinieren. Im Fall des Sonnenrads fand das Tool 66 mögliche Prozessketten. Die Forschungsgruppe entschied sich für die drei oben erwähnten.

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Welche Prozesskette ist die günstigste?

Verglichen wurden die normierten Stückkosten und die Durchlaufzeiten jeder Prozesskette. Das Ergebnis ist eindeutig: Die mit Abstand geringsten Herstellungskosten und schnellste Produktion bleibt die rein konventionelle Fertigung. In der Theorie. Denn in der Praxis ist die Optimierung des Sonnenrads durch die innenliegenden Schmierkanäle nicht umsetzbar. Ein Vielfaches an Zeit und Kosten erwartet John Deere bei einer rein additiven Fertigung. Also ist auch das keine Lösung.

Im hybriden Prozess wird von fünf Elementen eines additiv gefertigt. Nämlich das, das nur per additiver Fertigung hergestellt werden kann: die Laufverzahnung mit den innenliegenden Kanälen. Dadurch wird die Herstellung des gesamten Sonnenrads schneller als bei der reinen additiven Fertigung. Auch die Kosten sinken um mindestens 33 Prozent. Die große Spannbreite ergibt sich aus den gewählten Stückzahlen.