Als overbrengers van kracht en koppel zijn aandrijfassen onopvallende maar onmisbare onvervangbare componenten van auto’s, vliegtuigen, schepen, windturbines, et cetera. Een team van het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) in Aken heeft een additief proces ontwikkeld voor de oppervlaktebewerkingen aan assen.
Het ‘Express Wire Coil Cladding proces (afgekort EW2C) biedt een duurzaam en economisch alternatief voor veelvoorkomende verspanende processen bij het bewerken van assen, zoals draaien. Het gaat om een op draad gebaseerd additief fabricageproces waarbij een component of structuur wordt opgebouwd met een laser door metalen materialen in lagen met elkaar te verbinden.
Productie complexe assen economischer
Maar in tegenstelling tot klassiek laserdepositielassen wordt het materiaal niet continu als draad aangevoerd. In plaats daarvan wordt de draad in de vorm van spiralen op de gewenste punten op de as gedrukt en daar gelast met een krachtige laser.
Omdat de draadspiralen onder spanning op de as worden geplaatst, kunnen ze niet wegglijden tijdens het laserproces. Het idee van de onderzoekers was niet alleen om de productie van assen cosmetisch te veranderen. Ze wilden een krachtig proces ontwikkelen dat de productie van complexe assen economischer en duurzamer zou maken.
Lagen op aandrijfassen
De onderzoeken die de afgelopen maanden zijn uitgevoerd, geven de Fraunhofer-wetenschappers vertrouwen. De spanning van de gewikkelde draad verbetert de processtabiliteit met een factor tien in vergelijking met conventioneel draadgebaseerd laserdepositielassen. Dit komt omdat ongewenste bewegingen van de draad tijdens het lasproces worden voorkomen.
De onderzoekers konden ook aantonen dat het EW2C-proces geschikt is voor het aanbrengen van dikke lagen: in een enkele laag konden ze, afhankelijk van de draaddikte, tussen de 0,5 en 2 millimeter materiaal aanbrengen.
Verschillende materiaalcombinaties mogelijk
Ze ontdekten dat hun proces gelijke tred kan houden met de cyclustijden bij het draaien. In de testreeks duurde het lassen van een 25 mm hoge Inconel 718 spiraal met een draaddiameter van 1,2 mm op een stalen as met een buitendiameter van 35 mm iets minder dan zestig seconden.
Door de stappen te herhalen konden meerdere millimeters materiaal snel worden aangebracht. Zelfs verschillende materiaalcombinaties zijn mogelijk, zodat naast de constructie van geometrieën ook een technische functionaliteit van het componentoppervlak kan worden bereikt.
Verdere ontwikkeling
Om de processnelheid verder te verhogen, experimenteren de onderzoekers met het vergroten van de brandpuntsgeometrie en zo meerdere spiraalvormige spiralen tegelijk te bestralen en te smelten.
Bovendien kunnen door het combineren van verschillende spiraallengten en andere draadmaterialen in de toekomst complexe volume-elementen op assen worden toegepast. Daartoe testen de onderzoekers de geschiktheid van de methode voor zowel massieve assen als dunwandige holle assen en buizen.
Kunstmatige intelligentie
Met geïntegreerde sensoren in de bestaande machineomgeving bij de Fraunhofer IPT worden ook verschillende gegevens tijdens het proces geregistreerd en verwerkt met behulp van benaderingen uit de kunstmatige intelligentie. De verwerkte gegevens moeten de basis vormen voor het modelleren en actief reguleren van het EW2C-proces voor verschillende materialen en procesparameters.
Concepten zoals EW2C kunnen innovatie-impulsen teweegbrengen in industrieën die zich in de loop van decennia weliswaar hebben ontwikkeld, maar niet revolutionair. Additive manufacturing biedt grote mogelijkheden, vooral in de metaalsector. Volgens de onderzoekers is de industrie nog maar net begonnen deze weg te bewandelen.