Shot Peening erklärt: Gezielte Oberflächenverfestigung für verbesserte Bauteileigenschafte
Shot Peening, auch Kugel- oder Verfestigungsstrahlen genannt, erhöht die Widerstandsfähigkeit metallischer Bauteile
Dieser Strahlprozess hat viele Vorteile: Das Shot Peening (auch: Kugelstrahlen, Verfestigungsstrahlen, Verdichtungsstrahlen bzw. Kaltverfestigung) erhöht die Lebensdauer eines Bauteils und sorgt für eine höhere Belastbarkeit bei geringerem Bauteilgewicht, schließt Mikrorisse, reduziert die Korrosionsneigung bzw. Korrosionsermüdung und erhöht die Ausfallsicherheit sowie die Dauerschwingfestigkeit (etwa bei Federn, Pleuelstangen, Kurbelwellen).
Diese Technik ist für alle metallischen Oberflächen geeignet und gehört zu den wichtigsten mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren in der Industrie. Gerade für Branchen, in denen höchste Anforderungen an die Dauerfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit von Werkstücken gestellt werden und in denen die Bauteile ständig unter Stress stehen, hat sich die Anwendung dieses Prozesses als unverzichtbar erwiesen.
Quasi nebenbei werden die Bauteile beim Shot Peening durch das permanente Einschlagen der Kugeln (Kugelstrahlen) auf das Material auch entgratet, entzundert und entrostet und erhalten somit ein umfassendes Surface Finishing. Typische Werkstücke, die mittels Shot Peening oder Verdichtungsstrahlen bearbeitet werden, sind kleinere Massenteile wie: Zahnräder, Wellen, Getriebekomponenten, Federn, Achsen, Pleuelstangen, Ventile, Kurbelwellen, aber auch ganze Fahrwerksteile oder große Strukturbauteile.
Was ist das Besondere an der Shot Peening-Technologie bei Rösler?
Unsere Shot Peening-Verfahren / Verfestigungsstrahlen zeichnen sich durch intelligente Prozessüberwachung,
innovative Details und besonders langlebige Komponenten aus.
Diese sind im Besonderen:
- Die Überwachung des Strahlmitteldurchflusses beim Druckluftstrahlen auf magnetischer Basis oder durch einmalige Coriolis-Dosiersysteme – je nachdem, ob metallisches oder nichtmetallisches Strahlmittel zum Einsatz kommt. Beim Turbinenstrahlen kann zur Überwachung und Regelung das Rösler Power Line Valve eingesetzt werden.
- Die automatische Erfassung, Auswertung, Aufbereitung und Speicherung von Daten innerhalb des Bearbeitungsprozesses durch unser HMI-Schnittstellensystem „PC Supervisor“ für maximale Prozesskonstanz und -sicherheit bei Druckluftstrahlanlagen.
- Der Strahlmittelkreislauf mittels ausgefeilter Klassifizierungssysteme, z. B. strömungsoptimierte Windsichtung oder Integration, Siebeinheit zur Klassifizierung der Strahlmittelkorngröße.
- Laufüberwachung der Werkstücktransportsysteme.
- Hochleistungsturbinen RUTTEN Gamma mit beidseitig verwendbaren Wurfschaufeln für eine bis zu 16-fache Standzeit, die einen konstanten Strahlprozess mit wenig Anpassungsbedarf garantiert.
Was müssen Sie über das Shot Peening wissen?
Häufige Fragen im Überblick (FAQ)
Häufige Fragen im Überblick (FAQ)
Funktionsweise von Shot Peening: So entsteht die verdichtete Oberfläche
Strength is forged under pressure: Beim Shot Peening-Verfahren/Verfestigungsstrahlen oder Kugelstrahlen werden besonders dafür ausgewählte runde Strahlmittel mit hoher Geschwindigkeit definiert und reproduzierbar auf die metallischen Oberflächen von Zahnrädern, Pleuelstangen, Kurbelwellen usw. appliziert. Durch den Aufprall werden in die Oberfläche und bis zu einer maximalen Eindringtiefe sogenannte Druckeigenspannungen (englisch: residual stress) eingebracht, die besonders bei hochbelasteten Bauteilen (Verzahnungen, Turbinenschaufeln, Pleuelstangen etc.) die Lebensdauer signifikant erhöhen.
Hinter diesem Strahlprozess steckt eine Technik, die dem Schmieden von Metall ähnelt, nur dass die Behandlung der Oberfläche nicht durch den Aufprall eines Hammers, sondern durch den Aufprall der "Kugeln" in einem massiven Strahl und mit hoher Geschwindigkeit erfolgt. Jedes einzelne Strahlkorn erzeugt im Laufe des Prozesses eine winzig kleine Verformung. In der Summe komprimieren sich all diese Mikrodellen zu einer verdichteten Oberfläche, die enorme Druckeigenspannungen aufweist.
Welche Vorteile bietet das Shot Peening?
Die Oberfläche bzw. das Material ist nach dem Shot Peening / Verdichtungsstrahlen belastbarer, neigt weniger zu Korrosionsermüdung, weist eine höhere Lebensdauer und eine erhöhte Dauerschwingfestigkeit auf (etwa bei Federn, Pleuelstangen, Kurbelwellen) und verfügt über zahlreiche weitere positive und nützliche Eigenschaften. Besonders in der Luftfahrt wurde die Entwickelung des Kugelstrahlens seit den 50er Jahren extrem vorangetrieben. Mittlerweile sind die Vorteile des Shot Peenings / Verfestigungsstrahlens aus zahlreichen Industrien nicht mehr wegzudenken. Genutzt wird es dort zur Verbesserung sämtlicher Komponenten, die ganz oder in Teilen höchsten Belastungen ausgesetzt sind wie Turbinenschaufeln, Triebwerkskomponenten, Pleuelstangen, Fahrwerk oder Strukturteile. Diese Teile werden durch das Shot Peening / Verfestigungsstrahlen vor Ermüdungsbrüchen geschützt bzw. das Verfahren sorgt für Gewichtsoptimierungen und macht die Teile widerstandsfähiger hinsichtlich des Stresses, dem sie permanent ausgesetzt sind.
Enormem Druck und Materialstress sind auch sämtliche Aerospace-Parts ausgesetzt. Deshalb zählt das Shot Peening / Verfestigungsstrahlen als Mittel zur Erhöhung der Druckeigenspannung zu den Standardverfahren in der Raumfahrt und wird zur Verbesserung der Oberflächenstruktur fast aller Bauteile eingesetzt.
Welches Strahlmittel eignet sich besonders für das Shot Peening?
Wie bereits die auch im deutschsprachigen Raum gebräuchliche Bezeichnung „Kugelstrahlen“ nahelegt, kommt beim Shot Peening / Verfestigungsstrahlen ein kugelförmiges Strahlmittel zur Anwendung. Ziel ist es, durch den Impulsübertrag gezielt Druckeigenspannung (englisch: residual stress) in der oberflächennahen Zone des Werkstücks zu induzieren. Dabei spielt neben der hohen Geschwindigkeit des Strahlmittels die Wahl der Korngröße eine entscheidende Rolle: Ein zu großes Strahlmittel kann zwar Spannungen in tiefere Schichten einbringen, führt jedoch gleichzeitig zu unerwünschten plastischen Deformationen an der Oberfläche, was die dort wirksamen Druckeigenspannungen reduziert.
Ein weiterer kritischer Aspekt ist die Strahlmittelintegrität. Durch Kornbruch entstehende scharfkantige Partikel können die Oberfläche stark aufrauen oder gar beschädigen, was lokal zu einer strukturellen Schwächung führen kann. Um dies zu vermeiden, ist eine hohe Strahlmittelqualität essenziell – insbesondere im Hinblick auf eine enge Korngrößenverteilung, hohe Härte und geringe Bruchneigung.
Diese Anforderungen erfüllt insbesondere Drahtkornstrahlmittel, dessen Betriebsgemisch aus abgerundeten Drahtabschnitten besteht und so eine gleichmäßige, prozesssichere Behandlung der Oberfläche während des Strahlprozesses gewährleistet.
Für die richtige Auswahl des Strahlmittels beraten wir Sie gerne. In unserem Customer Experience Center steht eine Vielzahl an Strahl- und Kugelstrahlanlagen für die Ermittlung der Verfahrensparameter für Sie bereit.
Für welche Branchen ist das Shot Peening besonders wichtig?
Aus Sicherheitsgründen ist das Shot Peening / Verfestigungsstrahlen oder Kugelstrahlen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie (Aerospace) nicht mehr wegzudenken, wo unter anderem Turbinenschaufeln, Strukturbauteile, Stringer, Fan blades und sogar ganze Flugzeugkabinen mithilfe dieses Prozesses widerstandsfähiger gemacht werden.
Essenziell ist das Verfahren auch für den Bereich E-Mobilität. Dort gilt: Weniger Bauteilgewicht gleich mehr Leistung – gleich geringerer Ressourceneinsatz sowie größere Reichweite. Durch das Shot Peening-Verfahren / Verfestigungsstrahlen werden form- und gewichtsoptimierte Bauteile, die in den modernen Fahrzeugen verbaut werden, verfestigt und belastbarer gemacht.
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