Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Auslegung eines optimierten Lichtbogendrahtspritzprozesses für Zylinderlaufbahnen von Verbrennungsmotoren
Design of an optimized twin wire arc spraying process for aluminium bores of combustion engine
Kurzfassung in deutsch
Gerade in der heutigen Zeit, in der nachhaltiges Ressourcenmanagement, wachsendes Umweltbewusstsein, Klimaschutz und politisch induzierte Restriktionen, aber gleichzeitig ein hohes Bedürfnis an Mobilität im Bewusstsein vieler Menschen präsent ist, sind Effizienzsteigerungen von Produkten und Prozessen unabdingbar.Hierbei stellt im Bereich der Entwicklung und Optimierung von Verbrennungsmotoren die Reibungsreduktion und der Leichtbau zwei der wichtigsten Faktoren dar und bestimmen somit maßgeblich die Energieeffizienz und damit auch die Wirtschaftlichkeit eines Fahrzeugs.
Die Funktionalisierung der Zylinderlaufbahn mittels Lichtbogendrahtspritzen (LDS®) bedient hierbei beide Konzepte, die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften und somit die Reibungsreduktion und die Substitution schwererer Bauteile durch eine dünne aufgespritzte Metallschicht.
Das Lichtbogenspritzen zählt zur Familie der Thermischen Spritzverfahren, bei der die thermische Energie in Form eines Lichtbogens bereitgestellt wird um das Aufschmelzen zweier drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoffe zu realisieren. Durch einen kontinuierlichen Drahtvorschub und die abschmelzende Wirkung des Lichtbogens wird fortlaufend Schmelze produziert, welche mittels eines Zerstäubergases zerstäubt und in Form eines Spritzstrahls auf das Substrat befördert wird, auf der sich eine fest haftende Spritzschicht ablagert. Aufgrund der speziellen Randbedingungen bei einer Innenbeschichtung eines Zylinders sind konventionelle Systeme, bei der die Drahtzuführrichtung und die Spritzstrahlachse in einer Ebene liegen, nur bedingt einsetzbar. Durch eine angepasste Draht- und Gaszuführung konnte der ungenügende Auftragwirkungsgrad bei zunehmender Beschichtungstiefe im Vergleich zu den konventionellen Lichtbogenspritzprozessen beseitigt werden.
Vorteilhaft wirken sich vor allem die vergleichsweise geringen Anlagen- und Prozesskosten, die Verwendung von Massivdrähten, die hohe Automatisierbarkeit und die hohen Auftragsraten aus die Wirtschaftlichkeit aus, weshalb der industrielle Einsatz des Lichtbogendrahtspritzen kontinuierlich wächst.
Das seit dem Jahre 2006 bei der Daimler AG eingesetzte Lichtbogendrahtspritzen wurde für die Zylinderinnenbeschichtung von Kleinserien-Zylinderkurbelgehäusen eingesetzt. Eine triviale Skalierung des Prozesses gestaltet sich nicht nur aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Randbedingungen der zu beschichtenden Zylinderkurbelgehäuse sondern auch aufgrund der hohen Anforderungen an Taktzeit, Qualität und Verfügbarkeit als äußerst komplexe Thematik. Darüber hinaus ist die Einflussnahme auf die physikalischen Schichteigenschaften, welche das tribologische System Zylinderlaufbahn/Kolbenring maßgeblich beeinflussen, aufgrund des fehlenden Prozessverständnisses nur unzureichend bekannt.
Um das Ziel, definierte, reproduzierbare und qualitätsgerechte Schichteigenschaften für eine künftige Großserienproduktion von beschichteten Zylinderlaufbahnen realisieren zu können, erfolgt zunächst eine Identifikation des Ist-Prozesszustandes. Diese Prozesscharakterisierung dient neben der Erweiterung des Prozessverständnisses, der Identifikation von Prozessgrenzen, der Ableitung von Abhängigkeiten zwischen Eingangsgrößen und Strahl- bzw. Partikeleigenschaften auch der Überprüfung der Diagnostiksysteme auf Serientauglichkeit. Für die Untersuchungen kommen sowohl kommerzielle Systeme aus dem Bereich der Strahl- & Partikeldiagnostik wie auch Eigenentwicklungen aus den Bereichen der Systemdiagnostik und Schichtdiagnostik zum Einsatz. Aufgrund des Einsatzes mitunter redundanter Messtechnik ist ein Abgleich und eine Adaption der unterschiedlichen Diagnostiksysteme möglich, um die Systemeinstellungen auf die speziellen Begebenheiten hin zu adaptieren.
Anhand der gewonnen Erkenntnisse der Strahl- und Partikeleigenschaften in Abhängigkeit der Eingangsgrößen erfolgt auf Basis statistischer Versuchsplanung die Erarbeitung der gezielten Einflussnahme auf die Prozesseigenschaften. Zusammen mit Schichtcharakterisierungen wie der Porositäts-, Härte- und Verschleißuntersuchungen können Parameter identifiziert werden, welche für eine gezielte Schichtoptimierung unter den gegebenen Randbedingungen maßgeblichen Einfluss haben.
Darüber hinaus liefert die vorliegende Arbeit innovative Ansätze zur Entwicklung von Beschichtungsstrategien für eine qualitätsgerechte, ressourcenschonende und taktzeitoptimierte Zylinderlaufbahnbeschichten.
Hierbei wird zunächst der Einfluss des Beschichtungsabstandes auf die Schichtdickenausprägung behandelt. Bedingt durch die geforderte ressourcenschonende Beschichtung und die nachfolgenden Honprozesse wird ein Ansatz vorgestellt, der eine Ausrichtung von Beschichtungslanze und Bauteil gewährleistet.
Aufbauend auf einer sichergestellten mittigen Beschichtung wird eine systematische Vorgehensweise zur Generierung von Beschichtungsstrategien beschrieben, welche das empirische „Trial & Error“-Verfahren ablösen soll. Basierend auf einer modellhaften Abbildung des makroskopischen Schichtbildungsprozess und den mithilfe der statistischen Versuchsplanung identifizierten Haupteinflüssen der Schichtdickenausbildung wird ein Verfahren vorgestellt, welches den zeitlichen und materiellen Aufwand zur Bestimmung von kinematischen Parametersätzen deutlich reduziert. Im Fokus stehen neben der numerischen Modellierung des makroskopischen Schichtwachstums die Vermessung und Digitalisierung von Spritzfleckproben, welche die Basis für die entwickelte makroskopische Modellierung darstellt.
Obwohl die im Rahmen dieser Untersuchungen erzeugten und qualifizierten Spritzschichten den Funktionsansprüchen für Zylinderlaufbahnen genügen, zeigt die vorliegende Arbeit neue Wege für eine Charakterisierung und Verbesserung von Brennerkonzepten, speziell im Bereich des Düsendesigns. Nicht nur die identifizierten Unzulänglichkeiten des Brennerkonzeptes, welche sich in den Strahl- und Partikeleigenschaften widerspiegeln, sondern auch der große Einfluss des Gases auf die kinetischen Eigenschaften der Partikel, gaben Anlass für eine intensivere Betrachtung dieser Thematik.
Aufgrund dessen, dass eine Modifizierung der Gasführungskanäle großes Optimierungspotenzial für eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit und der damit einhergehenden Partikelgeschwindigkeit verspricht, wird ein vollautomatisierter Prüfstand zur Vermessung und Charakterisierung eines Gasstrahls vorgestellt. In Verbindung mit numerischen Simulationen und Optimierungsansätzen wird ein Düsendesign vorgestellt, welches eine effizientere Ausnutzung des Energieträgers zeigt.
Kurzfassung in englisch
Sustainable resource management, increasing environmental awareness, climate change and politically induced restrictions, but also a great need for mobility in the present time is in the consciousness of many people. The consequent increase of product and process efficiency are indispensable for the competitiveness.Numerous innovations in the efficiency in the internal combustion engines had been achieved during the last years. Especially in the field of motor engineering, consequent friction optimizations lead to cost-effective fuel consumption advantages and CO2 reduction. In addition to the lightweight design, friction optimizations in the engine mechanics usually can further cut fuel consumption and thus CO2 savings.
An adapted twin wire arc spraying process named LDS®(Lichtbogendrahtspritzen), developed by Daimler AG, creates a thin, iron-carbon-alloyed coating on the aluminum bore which will be surface-finished through honing. Because of the continuous development in engines, the coating strategies, the process technology and monitoring must be adapted in parallel to achieve a quality-conform serial coating result.
The aim of this work lies in the production of reproducible quality and equitable coating properties for a future mass production of coated cylinder liners. Initially, an identification of the current process state will be carried out. This process characterization is used to enlarge the process understanding, the identification of process limits, the derivation of dependencies between input variables, and, the beam or particle properties also for reviewing the diagnostic systems on suitability for series production.
The most important factors for a quality-based cylinder liner coating in series production are the controlled indemnification of a minimal coating thickness and a homogeneous coating deposition of the complete aluminum bore. The present work provides innovative approaches for the development of coating strategies for quality-oriented, resource-saving and cycle time optimized cylinder liner coating.
A specific system was developed for these demands, which enables the measuring and adjusting of the part (e.g. crankcases) and the central plunging of the coating torch into the bore to achieve a homogeneous coating thickness. A pre/post measurement of the bore diameter gives insights about the coating thickness. A specific developed software tool for coating deposition transfers these results into a model, which predicts the coating deposition as a function of the coating strategy. In this manner, tailor-made coating strategies can be created in advance through computer aided engineering.
Another focus of this work is the investigation and improvement of the recent spray gun technology, especially in terms of the nozzle design. It is evident that optimizing the deflection of gas and wire in relation to the horizontal plane constitutes one of the essential points in the development process since this decisively influences the coating properties. Therefore, it is crucial to analyze the development of nozzle design with quality management methods. The aim of this research is to generate a design which has a slimmer or optimized geometry while maintaining the coating characteristics. This is mainly to take account of cylinder-diameter downsizing by using a smaller spray gun or sophisticated requirements toward further spray gun concepts. According to the rule of ten, insufficiency must be identified and rectified in an early development stage to decrease costs for process development. The sooner modifications can be made to the design, the lower the cost of such improvements. Due to the fact that a modification of the gas guide channels promises great potential for optimization for an increase in the gas velocity, and thus resulting particle velocity; a fully automated test stand for measuring and characterization of a gas jet will be presented. In connection with numerical simulations and optimization approaches, a nozzle design will be presented, which shows a more efficient use of the energy carrier.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik | |
| Fakultät: | Fakultät für Maschinenbau | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Wielage, Bernhard (Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil.) | |
| ISBN/ISSN: | 1439-1597 | |
| Quelle: | Chemnitz : Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik, 2016. - 202 S. - Schriftenreihe: Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen ; Band 57 | |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): | Thermisches Spritzen , Lichtbogenspritzen , Lichtbogendrahtspritzen (LDS®) , Zylinderlaufbahnbeschichtung , Prozessdiagnostik , Partikeleigenschaften , Schichteigenschaften , Tribologische Schichttopographieeigenschaften , Strahleigenschaften , Gasstrahleigenschaften , Düsenoptimierung , Staudruckmessungen , Schichtauftragssimulation , Bauteilzentrierung , Schichtdickenmessung , Spritzfleckanalyse | |
| Freie Schlagwörter (Englisch): | Thermal Spraying , Wire Arc Spraying , Twin Wire Arc Spraying , LDS® , Coating of Aluminium Bores , Process Diagnostics , Particle Characteristics , Coating Characteristics , Tribological Surface Characteristics , Spray Beam Characteristics , Gas Beam Characteristics , Nozzle Optimization , Dynamic Pressure Measurements , Coating Simulation , Component Alignment , Coating Thickness Measurement , Spray Spot Analysis | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 20.11.2015 |
