Bilyalı rulmanlar için katkı üreticisinden lazer metal biriktirme teknolojisiyle yenilikçi hafif tasarım

 

IBO GmbH ve Leibniz Malzeme-odaklı Teknolojiler (Leibniz IWT), BIAS – Uygulamalı Işın Teknolojisi Enstitüsü ile birlikte hafif ve yenilikçi bilyalı rulmanlar geliştirmekte. IBO GmbH halihazırda büyük bilyalı rulmanlar için geleneksel çelik malzemesi yerine hafif alüminyum malzeme kullanmakta. Yüksek-dayanıma sahip alüminyum alaşımlar için bile bu düşük mekanik özellikler istenmemektedir. Dolayısıyla, rulman çeliğinden yapılan ilave bir tel yataklı sistem gereklidir. Bu bilyeli rulmanlara tel yataklı rulman adı veriliyor. İlave tel yatak ne yazık ki yüksek ağırlık nedeniyle yüksek hacimli parçalar, üretim ve kurulum maliyetleri gibi sorunları da beraberinde getirmekte. Dolayısıyla, alüminyumun düşük yoğunluk avantajı ortadan kalkıyor.

Yani, geliştirme çalışmasının amacı, nispeten yumuşak olan alüminyumun sert parçacıklarla bölgesel olarak güçlendirilmesi ve bu kompozit yapıyı bilyeli rulmanların yatağı olarak doğrudan alüminyum gövdenin üzerine yerleştirmektir. Böylelikle, hafif bilyeli rulmanlarda çelikten yapılan ilave tel yatak göz ardı edilebilir. Tekli rulman bileşenleri üretmek için lazer metal biriktirme (LMD) teknolojisini kullanma yaklaşımı kullanılıyor. Üretim süreci esnasında, bilyeli rulmanın yüksek strese maruz kalan yataklarını güçlendirmek amacıyla sert parçacıklar alüminyum tozuyla birlikte art arda püskürtülür.

LMD yönteminin çalışma ilkesi şekil 1 a’da gösterilmiştir. Toz yatağı bazlı katkı üretim yöntemlerine kıyasla, LMD prosesi neredeyse sonsuz montaj alanı ve yüksek birikim hızlarında kullanılabilir. Lazer metal biriktirme teknolojisinin bu avantajları, çapları 3 m’ye kadar olan bilyeli rulmanların büyük ölçekli üretimlerini ekonomik kılmak için önem taşır. Yüksek-dayanımlı alüminyum tozu EN AW-7075 (50 μm ila 125 μm) ile yapılan ilk testlerde düşük-kusurlu örnekler üretilebildi (bkz. şekil 1 b)). Enine bir kesitten alınan Vickers sertlik ölçümlerine göre 68 ± 7 HV0.5 gibi düşük bir sertlik değeri elde edildi. Yüksek sıcaklıklarda yapay bir şekilde yaşlandırma sonrasında 110 ± 12 HV0.5 gibi daha yüksek Vickers sertlik değerleri ölçüldü (bkz. şekil 1 c)). Bu da, LMD prosesi sonrasında ilave bir çözelti uygulaması olmadan yapay yaşlandırma ile sertlikte kayda değer bir artış elde edildiğini göstermektedir.

Şekil 1 a) LMD-prosesinin şematik çizimi; b) Katkı kullanılarak üretilen bir EN AW-7075 örneğinin aşındırılmış enine kesiti; c) EN AW-7075 için ortalaması alınmış sertlik değerleri

Daha yüksek bölgesel dayanımlar elde etmek için sert küresel kaynaşık tungsten karbür parçacıkları (SFTC) (3,000 HV0.1’e kadar) enjekte edilecektir. Bu da, LMD yönteminin bir başka avantajıdır. Matris malzemesi EN AW-7075’in yanı sıra, SFTC parçacıklarını da eş zamanlı olarak proses bölgesine almak mümkündür. Bir Y-tüpü elemanı sayesinde toz memesine sert parçacıkları içeren ikinci bir toz besleme hunisi eklenerek sert parçacıklar enjekte edilebilir.

Tek bir adımda hem alüminyum matris malzemesi hem de dayanımı arttırmak için kullanılan sert parçacıklar bilyeli rulman yatağı üretim alanına alınarak bölgesel ve eş zamanlı olarak uygulanabilir. Küresel kaynaşık tungsten karbür parçacıkları lazer ışını ile erimez ve böylelikle alüminyum matris içinde dağılırlar. Şekil 2’de tekli kaynak dikişlerinden rulman bileşeni elde etme yapısının enine kesiti gösterilmektedir. Öncelikle, artan yarı çaplı dairesel kaynak dikişleri LMD yöntemiyle yan yana lehimlenerek istenen dış çapa erişilir. Sonrasında, ilave dairesel kaynak dikişi katmanları ilk katmanın üzerine atılarak istenen yükseklik elde edilir.

Şekil 2 Dereceli sert parçacık güçlendirmesiyle tekli kaynak dikişlerinden rulman bileşeni elde etme sürecinin enine kesiti

Araştırma çalışmaları, kaynak dikişleriyle birikim kalitesini arttırmanın yanı sıra heterojen alüminyum-SFTC kompozit yapısını da iyileştirme üzerine odaklanmaktadır. LMD prosesinin neredeyse net üretim becerilerine rağmen nihai konturu elde edip parçayı ana levhadan ayırmak için işlem sonrası adımların uygulanması gereklidir. Bilyeli rulmanlarda istenen sertlik ve yorulma değerlerini elde etmek için yumuşak alüminyum matrisli bu son derece heterojen kompozit malzemeye dair uygun parametrelerin belirlenmesi ve çok daha sert SFTC parçacıkları gereklidir.

Alüminyumu SFTC ile bölgesel olarak güçlendirme gibi yenilikçi bir yaklaşımda katkı kullanılarak üretilen hafif bilyeli rulman tasarımları oluşturmak için yeni hesaplama yaklaşımları gereklidir. IBO GmbH ile, bu ortak geliştirme çalışmaları inşaat tasarımında ve farklı malzemelerden üretilen bilyeli rulman konusunda geniş deneyime sahip yetkin bir ortak tarafından desteklenmiş olmaktadır.

BIAS, IBO GmbH ve Leibniz IWT tarafından ortak bir şekilde yürütülen çalışmalar bilyeli rulmanların yenilikçi hafif bir tasarımla geliştirilmesi ve gelecekteki üretimlerine odaklanmaktadır. Gelecekteki yenilikçi bilyeli rulmanlar yatakların düşük ağırlık ve yüksek dayanım gerektiren bölümlerinde kullanılabilecektir. Sert parçacıkları eklenmesi sonrasında ilave tel yatak sisteminin ortadan kaldırılmasıyla birlikte, alüminyum-bazlı bilyeli rulman üretimi için kullanılacak bu yeni yaklaşım aynı zamanda ekonomik fayda da sağlayacaktır.

Yazarlar, Almanya Endüstriyel Araştırma Birlikleri Federasyonu (AiF) aracılığıyla Alman Bundestag kararıyla “ZentralesInnovationsprogrammMittelstand” (ZIM) destekleme ilkeleri üzerinden Ekonomi ve Enerji Bakanlığı (BMWi) tarafından sağlanan ZF4063003SU7 desteği için teşekkürlerini belirtmektedir.

Kaynak: BearingNEWS