Zusammenarbeit mit HiETA im Bereich 3D-Metalldruck

Hintergrund

HiETA wurde 2011 mit dem Ziel gegründet, AM-Verfahren auf Metallbasis zur Herstellung komplexer, leichter Konstruktionen für verschiedene Arten von Wärmemanagement-Anwendungen zu entwickeln. Zu den hergestellten Teilen gehören Wärmerückgewinnungssysteme, Turbomaschinen und Verbrennungskomponenten für Mikro-Gasturbinen, Phasenwechsel-Wärmetauscher für Brennstoffzellen und integrierte Abwärmenutzungssysteme sowie Komponenten für hocheffiziente interne Verbrennungsmotoren einschließlich Turbomaschinen und Teile zur Handhabung von Abgasen.

Stephen Mellor, jetzt Lead Project Engineer bei HiETA, war der erste Mitarbeiter des Unternehmens, der auf Anregung der Betriebsleitung einige Patente zum Einsatz generativer Fertigungstechnologien zur Herstellung von Wärmetauschern anmeldete. Er befasste sich erstmals mit AM im Rahmen seines Engineering-Studiums an der Exeter University im England und spezialisierte sich anschließend auf die Erforschung der Technologie für seinen PhD. HiETA beschäftigt inzwischen mehr als 25 Personen und verfügt über beeindruckende Einrichtungen, die gemeinsam den gesamten AM-Produktentwicklungsprozess abdecken können, angefangen mit einer Prüfung der Kundenanforderungen, vom anfänglichen Design bis hin zur numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics - CFD) und Finite-Elemente-Methode (FEM), Herstellung mit Renishaw-Geräten, Prüfung und Validierung.

Herausforderung

Herkömmlich bestehen Wärmetauschprodukte oft aus dünnen Materialschichten, die zusammengeschweißt sind. Die Komplexität der Designs macht ihre Herstellung kompliziert und zeitaufwändig. Das beim Schweißen verwendete Material erhöht wiederum das Gesamtgewicht des Teils. Damals wurde die Verwendung von AM zur Herstellung von Wärmetauschern bei HiETA kaum untersucht. Die Herausforderung bestand also zunächst darin, zu bestätigen, dass mit AM erfolgreich ausreichend dünne Schichten der erforderlichen Qualität generiert und dass im Anschluss daran vollständige Komponenten mit der Komplexität eines typischen Wärmetauschers hergestellt werden konnten.

Eine weitere Herausforderung bestand darin, die gesammelten Kenntnisse und Erfahrungen einzusetzen, um den Prozess von der Herstellung von Mustern und Prototypen auf Kleinserienproduktion umzustellen.

HiETA entschloss sich für eine Zusammenarbeit mit Renishaw und den Einsatz des AM250 Systems von Renishaw für eine Reihe von Projekten. Zunächst arbeitete HiETA eng mit Renishaw zusammen, um spezifische Parametersätze zur Produktion undurchlässiger, dünner Schichten aus Inconel mit einer Dicke von nur 150 Mikron herzustellen. Beide Unternehmen produzierten Muster mit verschiedenen Einstellungen des AM250 im Renishaw Werk in Stone, Staffordshire und in der HiETA Niederlassung im Bristol and Bath Science Park in der Nähe von Bristol in England. Die so entstandenen Muster wurden wärmebehandelt und dann von HiETA und Renishaw eingestuft. Anhand der Prüfergebnisse konnten die Unternehmen die optimalen Maschinenparameter für dünnwandige Konstruktionen bestätigen. HiETA konnte nun ein Design-Handbuch mit Parametern zur Wärmeübertragung in Wärmetauschern entwickeln, die mit laserbasierter Pulverschmelztechnologie hergestellt wurden. Sobald es möglich war, undurchlässige, integrierte Schichten herzustellen, bestand die nächste Phase darin, eine komplette Einheit in voller Größe zu produzieren, die in einem angemessenen Zeitrahmen fertiggestellt werden konnte. Es wurden zwei Projekte durchgeführt, jeweils unter Einbezug des in Großbritannien basierten Gesamtfahrzeugintegrators Delta Motorsports in Silverstone. Das erste Projekt war ein quaderförmiger Wärmetauscher (Wärmerückgewinnungssystem), der als Range-Extender für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden sollte. Das zweite Projekt strebte ein weitaus komplexeres Komponentendesign an, das über die geläufige Quaderform hinausging. Komplexere Formen können die Produktleistung und Zykluseffizienz steigern, was zu Vorteilen bei der Verpackung und Kostensenkungen führt. Das für diese Phase ausgewählte Design war ein ringförmiges Wärmerückgewinnungssystem, das um andere Komponenten gewickelt werden und integrierte Krümmer enthalten konnte, um ein insgesamt kompakteres System abzugeben. Neben einer weiteren Optimierung der Anlagen von Renishaw zwecks Handhabung größerer Muster nutzte HiETA diese Projekte, um einen Extraktionsprozess zur Beseitigung überschüssigen Pulvers von den Mittelstücken der Wärmetauscher zu entwickeln.

Das erste Ziel der Partnerschaft zwischen HiETA und Renishaw bestand darin, die grundlegenden Daten zu ermitteln, die für die Einrichtung der AM-Anlage zur erfolgreichen Herstellung dünnwandiger Konstruktionen benötigt wurden, und die Parameter zu generieren, die zur Prädiktion der Leistungen der mit dem Renishaw System hergestellten Wärmetauscher erforderlich waren.

Die so ermittelten Daten bezüglich Wärmeübertragung und Flüssigkeitsströmung wurden in die von HiETA eingesetzten CFD- und Finite-Elemente-Analyseprogramme einbezogen. Diese Programme eignen sich für eine anfängliche Evaluierung der wahrscheinlichen Leistung neuer Komponentendesigns und bestätigen, dass die Vorschläge über das Potenzial verfügen, die Anforderungen des Kunden zu erfüllen.

Gleichzeitig führte Renishaw Software-Verbesserungen ein, um sowohl die Verarbeitung großer Datenmengen zu ermöglichen, wenn ein vollständiges Wärmerückgewinnungssystem in dünne Schichten geschnitten wird, als auch die für das ganze Teil erforderlichen Aufbauanleitungen zu erstellen.

Der erste Versuch zur Herstellung eines kompletten Produkts auf dem AM250 System generierte eine erfolgreiche Komponente, für die jedoch eine Aufbauzeit von 17 Tagen benötigt wurde. Anschließende Verbesserungen der Hardware und Software sowie eine Optimierung der Prozessparameter reduzierten diesen Zeitrahmen auf 80 Stunden. Detaillierte Tests ergaben, dass die Komponente die Anforderungen in Bezug auf Druckabfall und Wärmeübertragung erfüllen würde.