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3D-Metalldruck

Im SLM-Verfahren entstand ein Triebwerk in wenigen Tagen

| Autor/ Redakteur: Kristal Kilgore / Simone Käfer

Eine durchdachte Kühlung, konsequenter Leichtbau und ein schwer zerspanbarer Werkstoff – ein Fall für die Additive Fertigung. Mit dem SLM-Verfahren entstand ein monolithisches Triebwerk in kurzer Zeit.

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Die Baukammer, in der Cellcore das Triebwerk additiv gefertigt hat, gehört zur SLM 280 von SLM Solutions.
Die Baukammer, in der Cellcore das Triebwerk additiv gefertigt hat, gehört zur SLM 280 von SLM Solutions.
(Bild: © Wolfram Schroll)
  • Cellcore und SLM Solutions fertigen ein Triebwerk aus dem Werkstoff IN718 im SLM-Verfahren, das mehrere Einzelkomponenten in einem Bauteil vereint.
  • Durch den Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens konnte die Fertigungszeit auf fünf Werktage gesenkt werden.
  • Mit der SLM-Technik können durch die Einsparung teurer, zeitaufwendiger Fertigungsschritte und die Vereinfachung der Triebwerksstruktur erheblich Kosten eingespart werden.

In konventioneller Bauweise werden Kühlkanäle in einen Rohling gefräst und anschließend in vielen Arbeitsschritten wieder verschlossen. Will man ein Triebwerk mit komplexen Strukturen fertigen, bedeutet das, die gesamte Herstellung dauert mindestens ein halbes Jahr und ist somit auch sehr kostenintensiv. Die Anforderungen in der Luft- und Raumfahrt sind zudem extrem hoch. Es ist nicht nur ein konsequenter Leichtbau notwendig, die Materialien müssen auch besonders hohen Belastungen standhalten.

Das selektive Laserschmelzen (SLM, Selective Laser Melting) bietet vielfältige Möglichkeiten in der metallbasierten additiven Herstellung von Bauteilen. Diese können beispielsweise direkt mit innen liegenden Strukturen und in einer konsequenten Leichtbauweise hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der Integration mehrerer Bauteile in einem Bauteil. Diese Funktionsintegration und ein geringer Nachbearbeitungsaufwand führen zu erheblichen Kostenersparnissen im Herstellungsprozess. Anhand eines Raketentriebwerks hat das Unternehmen Cellcore nun gezeigt, wie die Vorteile des SLM-Verfahrens in der Luft- und Raumfahrt optimal genutzt werden können. In Zusammenarbeit mit SLM Solutions ist ein monolithisches Werkstück aus dem Werkstoff IN718 entstanden.

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Glossar
Selektives Laserschmelzen (SLM) oder Laser Beam Melting (LBM)

Das Laser Beam Melting (LBM) oder selektive Laserschmelzen (SLM) wird auch als Selective Laser Melting, direktes Metall-Lasersintern (DMLS) oder Laser Metal Fusion (LMF) bezeichnet und gehört zu den Pulverbettverfahren. Die durchschnittliche Pulvergröße beträgt 20 bis 50 µm, aber auch mit 100 µm wird gedruckt. Der Bauraum wird bis knapp unter die Schmelztemperatur des Materials vorgeheizt, womit sowohl der Energieverbrauch des Lasers minimiert als auch einem Verzug des Bauteils vorgebeugt wird. Außerdem ist die Atmosphäre im Bauraum stickstoffhaltig. Das Restpulver kann nach einem Siebdurchgang wiederverwendet werden. Stützstrukturen sind bei diesem Verfahren nötig, wenn das Bauteil Überhänge > 45° hat. Grundlegend kompensieren Stützstrukturen natürlich auch Spannungen. Sie werden vor dem eigentlichen Bauprozess des Endproduktes mit halber Energiezufuhr des Lasers und doppelter Scangeschwindigkeit hergestellt.

Bei dem von Cellcore und SLM Solutions gefertigten Triebwerk handelt es sich um eine Schubkammer, Kernelement eines Flüssigkeitstriebwerks mit Brennkammerwand, Brennstoffeinlass sowie einem Einspritzkopf mit Einlass für den Oxidator. In der Brennkammer findet eine chemische Reaktion statt, die ein Gas freisetzt. Dieses Gas dehnt sich durch Hitze­entwicklung aus und wird mit enormer Wucht ausgestoßen. So entsteht die für den Antrieb der Rakete notwendige Schubkraft durch Rückstoß. Während des Verbrennungsvorgangs entstehen in der Kammer sehr hohe Temperaturen, weswegen die Wand gekühlt werden muss, um nicht mit zu verbrennen. Zu diesem Zweck wird der flüssige Brennstoff, Kerosin oder Wasserstoff, durch Kühlkanäle in der Brennkammerwand nach oben geleitet, bevor er durch den Einspritzkopf in die Brennkammer gelangt. Dort vermischt sich der Brennstoff mit dem Oxidator und wird mithilfe einer Zündkerze verbrannt.

Die von Cellcore entwickelte Strukturkühlung sorgt für ein optimales Verhältnis zwischen Stabilität und Masseneinsatz.
Die von Cellcore entwickelte Strukturkühlung sorgt für ein optimales Verhältnis zwischen Stabilität und Masseneinsatz.
(Bild: SLM Solutions, Cellcore)

Filigrane Strukturkühlung zur Effizienzsteigerung

Durch den Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens von SLM Solutions konnte die Fertigungszeit auf fünf Werktage gesenkt werden, was zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen führt. Das mit der SLM-Technik hergestellte monolithische Raketentriebwerk bestehende aus Injektor und Schubkammer, vereint integrales Design, also die Zusammenfassung der zahlreichen Einzelkomponenten in einem Bauteil, mit multifunktionalem Leichtbau.

Kernelement ist die nur mithilfe der SLM-Technik zu fertigende innen liegende, von Cellcore entwickelte Struktur. Sie garantiert Stabilität und ist für den Wärme­transport geeignet. Die Eigenschaften dieser Strukturkühlung übertreffen konventionelle Ansätze, wie rechteckige, konzentrisch verlaufende Kühlkanäle, deutlich. Die Strukturkühlung bietet ein optimales Verhältnis zwischen Stabilität und Masseneinsatz und weist einen geringen Strömungswiderstand mit gleichzeitig hoher Wirkungsoberfläche auf. Sie ist somit nicht nur effizienter, es werden auch zusätzliche Funktionen integriert. Die Gitterstruktur sorgt zudem für eine Gewichtsreduktion im Vergleich zu herkömmlich gefertigten Bauteilen.

SLM-Verfahren verarbeitet Nickelchromlegierung

SLM Solutions hat Cellcore bei der Aufbereitung des komplexen Bauteils unterstützt, um dieses optimal für das SLM-Verfahren vorzubereiten. Dazu gehörte die Entwicklung spezifischer Parameter für die Bauteilgeometrie einschließlich Down­skin-­Optimierung sowie die optimale Bauteilorientierung im Bauraum. Zur Vermeidung von Fehlern wurden zudem kritische Baubereiche identifiziert, wodurch der Erfolg des Baujobs gewährleistet wurde. Um den hohen Material­anforderungen in der Luft- und Raumfahrt gerecht zu werden, ist das Triebwerk in der Nickelchromlegierung IN718 gefertigt worden. IN718 ist ein ausscheidungshärtbarer Werkstoff, der über herausragende Zug-, Ermüdungs-, Kriech- und Bruchfestigkeiten bis zu einer Temperatur von 700 °C verfügt. Dies macht IN718 zu einer wichtigen Legierung für Flugzeug- und Gasturbinenbauteile sowie weitere vielfältige Hoch­temperatur­anwendungen, wie Raketenantriebe. In der konventionellen Verarbeitung ist der Werkstoff schwer zerspanbar mit einem hohen Werkzeugverschleiß.

Die SLM 280 Production Series von SLM Solutions mit Pulverversorgungseinheit erspart Anwendern das manuelle Nachfüllen des Werkstoffs.
Die SLM 280 Production Series von SLM Solutions mit Pulverversorgungseinheit erspart Anwendern das manuelle Nachfüllen des Werkstoffs.
(Bild: SLM Solutions)

Das Triebwerk wurde auf der Maschine SLM 280 von SLM Solutions gedruckt. Der Bauraum der Maschine misst 280 mm × 280 mm × 365 mm und sie arbeitet mit einer patentierten Mehrstrahltechnik. Das Pulverhandling ist über eine Pulverversorgungseinheit (PSV) geregelt, durch die das manuelle Nachfüllen von Pulver über einzelne Pulverflaschen entfällt. Über ein in die PSV integriertes Ultraschallsieb wird das verfügbare Pulver kurz vor der Prozesszuführung gesiebt, sodass keine Überkornpartikel oder Fremdkörper in den Bauprozess gelangen können. Der Pulvertransport zwischen der PSV und der SLM-­Maschine erfolgt vollautomatisiert mittels Gasstromförderung.

Nach einem erfolgreichen Baujob erfolgt zunächst das Auspacken des Bauteils sowie das Lösen von der Grundplatte. Zudem werden die Stützstrukturen entfernt und das Bauteil nachbearbeitet. „Die Konzeptstudie zeigt das enorme Potenzial der Additiven Fertigung sowohl im Bereich der Luft- und Raumfahrt als auch in anderen Branchen”, ist Andreas Krüger, Geschäftsführer von Cellcore, überzeugt. „Wir sind sehr von den Möglichkeiten der Technik von SLM Solutions beeindruckt. Insbesondere die hohe Detailtreue und Qualität der sehr filigranen Multifunktions-­Kühlstruktur überzeugt uns.” Mit der SLM-Technik können durch das Einsparen teurer, zeitaufwendiger Fertigungsschritte und die Vereinfachung der Triebwerksstruktur erheblich Kosten eingespart werden. Denn in der konventionellen Herstellung werden die Einspritzelemente einzeln hergestellt, nachbehandelt und einzeln verschraubt.

Vereinfachte Nachbearbeitung trotz komplexer Strukturen

Für den Sauerstoff werden zudem in das Gehäuse Rillen gefräst, die wiederum mit einer Hülle versehen werden müssen, damit sich das Gas nicht verflüchtigt. Ein anschließendes Verschrauben erfolgt wiederum in einem Reinraum. Zahlreiche Arbeitsschritte, die eine eigene Nacharbeit oder zumindest Montage benötigen, können in der Additiven Fertigung kombiniert und somit reduziert werden. Der Nachbearbeitungsaufwand des Bauteils wird so trotz komplexer Struktur durch die Additive Fertigung minimiert. Ebenso wird ein hoher Werkzeugverschleiß vermieden.

Bei Cellcore ist nach dem Triebwerk noch nicht Schluss: „Derzeit arbeiten wir das gezeigte Prinzip in verschiedenen Projektvorhaben weiter aus”, sagt Krüger. „So kann ein enormer Mehrwert beispielsweise für Triebwerks- und Turbinenkomponenten oder für temperierte Werkzeuge erzielt werden.“

* Kristal Kilgore ist Marketing Director bei SLM Solutions in 23560 Lübeck, Tel. (04 51) 40 60-30 00

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