Smarte Bauteile

Additives Fertigungs-Duo erleichtert Sensorintegration

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Es folgt der Nachbearbeitungsprozess

Aufgrund der geforderten Toleranzen und Oberflächengüte wurde beim L-DED-Verfahren mit einem Übermaß von dtw = 1 mm gearbeitet. Die finale Nachbearbeitung erfolgte auf einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum der Röders GmbH vom Typ RXP-600DSH. Der zweistufige Fräsvorgang der Freiformfläche gelang in einer Prozesszeit von tP ≤ 5 min. Die Positionierung in der Fräsmaschine stellt dabei eine besonders große Herausforderung dar. Deshalb wurden dafür passende Positionierungshilfen während der Konstruktion integriert. Nach einer weiteren Oberflächenbearbeitung wurde die Bauteiloberfläche durch Gleitschleifen homogen geglättet [6].

Auch der Digitale Zwilling spielt mit

Der Turbinenschaufeldemonstrator ist für die Datenerfassung mit einem Pi Single Board Computer von Raspberry über einen entsprechenden Anschluss in der Halterung verbunden (Bild 3). Die Messwerte werden drahtlos an einen Edge-Computer gesendet, der einen Digitalen Zwilling der Schaufel in der Cloudplattform Elements for IoT von der Contact Software GmbH speist [7]. Mit diesem Aufbau können Messdaten an kritischen Prozesspunkten einer im Einsatz befindlichen Gasturbine in Echtzeit überwacht, verarbeitet und ortsunabhängig ausgelesen werden. Auch kann der gesamte Betriebsverlauf einer Komponente, deren Wartungshistorie sowie ihre Herstellungsbedingungen analysiert werden.

Bild 3: Schließen eines Sensorkanals über den additiven Prozess L-DED mit insgesamt 20 Schweißraupen.
Bild 3: Schließen eines Sensorkanals über den additiven Prozess L-DED mit insgesamt 20 Schweißraupen.
(Bild: Fraunhofer IPK)

Ergebnisse, Fazit und Ausblick

Um den so integrierten Temperatursensor zu überprüfen, wird die Turbinenschaufel manuell per Bunsenbrenner erwärmt (Bild 4). Durch den geringen Abstand des Sensors zur Oberfläche stellt sich nach einer Latenzzeit von tL ≤ 2 s eine recht signifikante Temperaturdifferenz Δϑ ein. Um die Erhebung von Messdaten bei maximaler Betriebstemperatur ϑMax des eingesetzten 1.4404 Edelstahls zu überprüfen, wurde die Turbinenschaufel dann in einem Industrieofen über einen Zeitraum von t = 60 min auf eine Temperatur von ϑ = 550 °C erwärmt. So konnte gezeigt werden, dass der Demonstrator eine zuversichtliche Überwachung der Messdaten selbst unter Extrembedingungen ermöglicht.

Die hier behandelte Arbeit zeigt, dass durch die Kombination zweier additiver Fertigungsverfahren eine neue Klasse an funktionalen Komponenten entstehen kann.

Bild 4: Hier wird eine Turbinenschaufel mit einem Bunsenbrenner erwärmt, um sicher zu gehen, dass der integrierte Sensor die Belastung im Einsatz schadlos überstehen kann.
Bild 4: Hier wird eine Turbinenschaufel mit einem Bunsenbrenner erwärmt, um sicher zu gehen, dass der integrierte Sensor die Belastung im Einsatz schadlos überstehen kann.
(Bild: Fraunhofer IPK)

Das Konzept birgt ein großes Potenzial für die Überwachung von Komponenten, deren intelligente Wartung sowie ihre Anwendung hinsichtlich IoT. Die Methodik, optimierte Geometrien für Kanäle in einem Bauteil zu integrieren, Sensoren in Komponenten einzubetten sowie dann im L-DED-Verfahren die benötigten Öffnungen wieder zu verschließen, eröffnet ganz neue Anwendungsfelder. In puncto Bauteilkomplexität sind fast keine Grenzen gesetzt. Mögliche weitere Anwendungsbereiche sind die Temperatur- und Drucküberwachung in Press- und Druckguss-Werkzeugen sowie Schwingungssensoren für Pumpen. Die Überwachung von Schiffspropellern mit integrierten Verschleißsensoren könnte im Übrigen auch ein Anwendungsfeld sein, denn Stillstandszeiten und Effizienzverluste haben auch hier gravierende ökonomische und ökologische Auswirkungen [8]. MM

Literatur

[1] Tahan, M.; Tsoutsanis, E.; Muhammad, M.; Karim, Z. A.: Applied Energy 198. S. 122 – 144. 2017.

[2] Mevissen, F.; Meo, M.: Sensors 19. S. 711. 2019.

[3] Hossain, S. M.; Gonzalez, J. A.; Hernandez, R. M.; Shuvo, A., A., I.; Mireles, J.; Choudhur, A.; Lin, Y.; Wicker, R. B.: Additve Manufacturing 10. S. 58 – 66. 2016.

[4] Petrat, T.; Kersting, R.; Graf, B.; Rethmeier, M.: Procedia CIRP 74. S. 168 – 171. 2018.

[5] Petrat, T.; Graf, B.; Gumenyuk, A.; Rethmeier, M.: Physics Procedia 83. S. 761 – 768. 2016.

[6] Uhlmann, E.; Eulitz, A.; Seiffert, K.; Kersting, R.; Schenk, S.: wt Werkstattstechnik online 109/6. S. 400 – 404. 2019.

[7] Göckel, N.; Müller, P.: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 115. S. 7 – 10. 2020.

[8] Koboević, Ž.; Bebić, D.; Kurtela, Ž.: Ships and Offshore Structures 14. S. 95 – 103. 2019.

* Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann: Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK); Dr.-Ing. Julian Polte: Abteilungsleiter der Abteilungen Fertigungstechnologien und Produktionsmaschinen und Anlagenmanagement; Tobias Neuwald M. Sc.: Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Fertigungstechnologien;

* Dipl.-Ing. Robert Kersting: Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Fertigungstechnologien; Christian Brunner-Schwer M. Sc.: Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Füge- und Beschichtungstechnik

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