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Ausgewählte Ausgabe: 11-2017 Ansicht: Modernes Layout
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3D-Metalldruckprozesse deutlich optimiert

Mithilfe der modernen Technologien von Renishaw konnte das Produktdesign-, Entwicklungs- und Fertigungsunternehmen HiETA die generative Fertigung seiner Spezialwärmetauscher auf Metallbasis (Additive Manufacturing – AM) von der Prototypenherstellung auf eine kommerzielle Produktion umstellen. Insbesondere trug das kürzlich erworbene System „RenAM 500M“ zu deutlich verkürzten Fertigungszeiten bei. Infolgedessen sanken entsprechend auch die Produktionskosten. Die RenAM 500M-Anlage ist ein pulverbettbasiertes Laserschmelzsystem für die generative Fertigung, das speziell für die Produktion von Metallteilen in einer Fertigungsumgebung entwickelt wurde.


Neben dem leistungsfähigen 500-W-Laser, der eine schnellere Verarbeitung als frühere Modelle zulässt, verfügt die neue Anlage über ein automatisches Pulverhandling-System, das nicht nur eine wiederholgenauere Prozessqualität, sondern auch kürzere Bedienzeiten an der Maschine erlaubt.

3D-Druck auf Metallbasis

HiETA, Bristol/GB (www.hieta.biz), 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, 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 bei seinem Engineering-Studium an der Exeter University/GB mit AM und spezialisierte sich anschließend auf die Erforschung dieser Technologie. 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 und vom anfänglichen Design über die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics – CFD) und Finite-Elemente-Methode (FEM) bis hin zur Herstellung mit Renishaw-Geräten, Prüfung sowie Validierung.

Anfängliche Herausforderungen

Typische Wärmetauschprodukte bestehen oft aus dünnen zusammengeschweißten Materialschichten. Die Komplexität des Designs macht ihre Herstellung kompliziert und zeitaufwendig. Das beim Schweißen verwendete Material erhöht zudem die Gesamtmasse des Teils. In der Vergangenheit wurden die Einsatzmöglichkeiten 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 im Anschluss daran vollständige Komponenten mit der Komplexität eines typischen Wärmetauschers hergestellt werden können. Eine weitere Herausforderung bestand darin, die gesammelten Kenntnisse und Erfahrungen einzusetzen, um den Prozess von der Herstellung von Mustern und Prototypen auf Kleinserienproduktion umzustellen.

Partnerschaftlich zur Lösung

HiETA entschloss sich für eine Zusammenarbeit mit Renishaw und den Einsatz des Systems „AM 250“ für eine Reihe von Projekten. Zunächst wurde eng zusammengearbeitet, um spezifische Parametersätze zur Produktion undurchlässiger, dünner Schichten aus Inconel mit einer Dicke von nur 150 µm herzustellen. Beide Unternehmen produzierten Muster mit verschiedenen Einstellungen des AM 250 im englischen 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 entsprechend eingestuft. Anhand der Prüfergebnisse konnten beide Unternehmen die optimalen Maschinenparameter für dünnwandige Konstruktionen bestätigen. HiETA entwickelte anschließend ein Design-Handbuch mit Parametern zur Wärmeübertragung in Wärmetauschern, die mit laserbasierter Pulverschmelztechnologie hergestellt wurden.

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Bild 1.
Der Gesamtfahrzeugintegrator aus Großbritannien war bei einigen Projekten rund um die additive Fertigung beteiligt.

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Bild 2.
Durch die Technologien von Renishaw konnte HiETA seine generative Fertigung auf Metallbasis – zum Beispiel für diesen Spezialwärmetauscher – von der Prototypenherstellung auf eine kommerzielle Produktion umstellen.

Sobald es möglich war, undurchlässige, integrierte Schichten herzustellen, bestand die nächste Phase darin, eine komplette Einheit in voller Größe in einem angemessenen Zeitrahmen zu produzieren. Es wurden zwei Projekte durchgeführt, jeweils unter Einbezug des in Großbritannien ansässigen Gesamtfahrzeugintegrators Delta Motorsport in Silverstone, Bild 1. Das erste Projekt war ein quaderförmiger Wärmetauscher (Wärmerückgewinnungssystem), Bild 2, der als „Range Extender“ für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen 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.

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Autoren

Dipl.-Phys.  Risshu Bergmann

Marketing-Koordinator
Renishaw GmbH, Pliezhausen

Solutions Center Pliezhausen

In seinem aktuell fertiggestellten „Solutions Center“ in der Nähe von Stuttgart  stellt  der  Messtechnik-  und  Maschinenhersteller  Renishaw Anwendern nunmehr ein ganzheitliches Konzept zur Verfügung. Interessenten können „Mietzellen“ nach einer ausführlichen Unterweisung in  die  Systemtechnik  und  die  Grundlagen  der  additiven  Fertigung eigen ständig nutzen, um einmal selbst die gesamte Prozesskette vom Design und der Konstruktion bis hin zur Nacharbeit zu verwirklichen.
Spezialisten stehen jederzeit mit unterstützenden Leistungen, Beratung und Service zur Verfügung. Der AM-Experte ist der Überzeugung, dass die Solution Center und die mietbaren Produktionszellen dem bestehenden  weltweiten  Markt  für  additive  Fertigung  einen  signifikanten Schub verleihen sowie den interessierten Unternehmen den Einstieg in diese neue Technologie erheblich erleichtern werden.

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