Im dritten Jahr des KoPro-VR-Projektes konnte nun der innovative FCOC-Wärmetauscher (fuel cooled oil cooler), der aufgrund seiner hohen geometrischen Komplexität als Demonstrator ausgewählt wurde, erfolgreich im Laser-Pulverbettverfahren gedruckt werden.
Nach dem Durchlaufen der kompletten Produktentwicklungskette auf der kollaborativen VR-Plattform FlaVR, welche in den ersten zwei Jahren der Projektlaufzeit von allen Partnern gemeinsam entwickelt wurde, lag der finale Entwurf als dreidimensionales Objekt vor (s. Abbildung 1). Durch die zeitgleiche Zusammenarbeit der verschiedenen Spezialisten aus den Bereichen Produktdesign, topologische Optimierung, additive Fertigung mit LPBF (Laser-Pulverbettfusion), Postprocessing und subtraktive Fertigung (CNC) konnte vielfältige Expertise in den Entwurf einfließen, um Fehldrucke sowie damit verbundene zeit,- kosten- und materialintensive iterative Schleifen zu vermeiden.
Abbildung 1: Die komplexe innere und äußere Struktur des Wärmetauschers wurde in der virtuellen Kollaborationsumgebung unter Einbeziehung des Spezialwissens aller beteiligten Experten bis ins letzte Detail entworfen und der 3D-Druck simuliert.
Der hochkomplexe dreidimensionale Körper wurde daraufhin in ein OCM-Modell (One Click Metal) überführt und die Datenaufbereitung für den Druckprozess abgeschlossen. Diese Form der Datenaufbereitung ist ein entscheidender Schritt zwischen dem CAD-Modell und dem physischen Druck und umfasst die Schritte Orientierung und Platzierung des Modells im Bauraum, Planung der Supports, Slicing (Zerlegung in einzelne Druckschichten), Hatching (Optimierung des Laserpfades), Festlegung der Parameter (Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Schichtdicke) in Abhängigkeit vom gewählten Material und eine finale Fehlerüberprüfung, um mögliche Geometriefehler oder Materiallücken zu schließen sowie den negativen Einfluss thermischer Spannungen zu reduzieren.
Dabei wurden auf der Druckplatte zwei Exemplare des Wärmetauschers positioniert (s. Abbildung 2), da einer der beiden Demonstratoren einer nicht-zerstörungsfreien Qualitätsprüfung unterzogen werden soll. Dieser Demonstrator soll anschließend als Viertel- oder Halbschnittmodell aufgearbeitet werden und Einblicke in die äußerst komplexe Innenstruktur des FCOC-Wärmetauschers bieten.
Abbildung 2: OCM-3D-Ansicht zur Datenaufbereitung für den Laser-Pulverbettfusions-Metalldruck. Der Wärmetauscher wird in zweifacher Ausführung gedruckt, da einige der Qualitätsprüfungen nicht zerstörungsfrei durchgeführt werden können. Der unbeschädigte Demonstrator soll hinsichtlich seiner Effizienz in seiner Funktion als Wärmetauscher geprüft werden, während der andere später als Schnittmodell einen Einblick in die komplexe innere Struktur bieten soll.
Für den Metalldruck kam das Metallpulver AlSi10Mg (Aluminium-Magnesium-Silicium) zum Einsatz. Diese besondere Aluminium-Legierung wird aufgrund seines geringen Gewichtes und seiner hohen Belastbarkeit gerne in der Luft- und Raumfahrt verwendet. Speziell für die additive Fertigung spricht seine gute Verarbeitbarkeit in Pulverbettfusionssystemen und die Ermöglichung eines hohen Grades an geometrischer Komplexität sowie der daraus resultierenden Designfreiheit beim Bauteilentwurf. Die hervorragenden Wärmeleitfähigkeiten dieser Aluminiumlegierung machen sie darüber hinaus ideal für die Konstruktion eines Wärmetauschers. Zu den weiteren Vorteilen der Legierung zählt, dass sie nicht korrodiert und ein optisch ansprechendes Finish bietet.
Der 3D-Druck des Modells im Metall-3D-Drucker der TUHH (Typ OneClickMetal – Mprint) dauerte 68 Stunden und 34 Minuten. Während des Drucks wurde der Bauraum des Metalldruckers mit dem Sicherheitsgas Argon gefüllt.
Das Modell ist 145 mm hoch und besteht aus 7.250 Schichten von je 20 μm Schichtdicke. Den Druckvorgang zeigt eine Aufnahme aus dem Bauraum (s. Abbildung 3). Das Pulver wird durch eine Wischervorrichtung in hauchfeinen Lagen aufgebracht und Schicht für Schicht mithilfe von Lasern und Spiegelsystemen präzise lokal geschmolzen bzw. geschweißt.
Abbildung 3: Die Aufnahme aus dem Bauraum zeigt den Druckprozess beim Laser-Pulverbett-Verfahren.
Nach dem Druck wurde das Metallpulver in der MPure-Station abgesaugt bzw. mit Druckluft aus dem Innern des Wärmetauschers ausgeblasen (s. Abbildung 4).
Abbildung 4: Sobald der 3D-Druck abgeschlossen ist, wird das Modell äußerlich vom Metallpulver befreit. Der Rohling ist zu diesem Zeitpunkt noch auf der Druckplatte fixiert. Deutlich zu sehen sind die Supports (Stützstrukturen), die für den Druck der äußeren Haltevorrichtungen notwendig sind.
Die Supportstrukturen wurden manuell entfernt (s. Abbildung 5).
Abbildung 5: Nachdem der Wärmetauscher von der Druckplatte gelöst und die Supports entfernt wurden, sind nun die Haltevorrichtungen gut sichtbar. Die unteren Strukturen dienen der Befestigung des Wärmetauschers in der Oberbaugruppe (Turbine) und sind auf Beschleunigungskräfte in Höhe von 9G ausgelegt. Die deutlich kleineren oberen Strukturen dienen zur Einspannung in der Haltevorrichtung der CNC-Fräse beim nachgelagerten Zerspanungsprozess und werden beim finalen Arbeitsschritt komplett entfernt.
Anschließend erfolgte ein manuelles Sandstrahlen (s. Abbildung 6). In einer inerten Argon-Atmosphäre wurden die Metalldrucke für 2 Stunden bei 220 Grad erhitzt, um Verformungen zu verhindern und Restspannungen vom Druckprozess zu entfernen. Um die Modelle von der Druckplatte zu lösen, kam ein EDM-Draht (electrode discharge machine) zum Einsatz.
Abbildung 6: Nach dem Sandstrahlen wirkt die Oberfläche wesentlich homogener, deutlich weniger rau und die einzelnen Schichten des Drucks sind nicht mehr zu erahnen. Dennoch ist im Folgenden eine maschinelle Nachbearbeitung notwendig, um die Toolingpoints sowie die zu fräsenden innenliegenden Gewinde und Schraubverbindungen in der benötigten Präzision herzustellen.
In den kommenden Wochen durchlaufen die beiden Wärmetauschermodelle die maschinelle Nachbearbeitung und das Postprocessing in einem CNC-Bearbeitungszentrum und erhalten eine Oberflächenbehandlung. Abschließend erfolgt eine letzte Qualitätsanalyse des fertigen Produktes.
