PBF

In dieser Fallstudie wird die Entwicklung eines optimierten Wärmetauschers für die Maschine Form Up® 350 vorgestellt. Ziel war es, die Wärmeableitung zu verbessern und die Abmessungen für eine einfache Installation anzupassen.

Industrie

Impression 3D métal

CHALLENGE

Réduire les coûts de production, les délais d’exécution et optimiser la dissipation thermique d’un échangeur thermique.

KEY BENEFITS

• Réduction de la taille de 64%
• Poids de la pièce divisé par 6
• Installation simplifiée
• Réduction des coûts et du temps de production
• Fiabilité accrue grâce à la conception monobloc

Réduction de la masse

Formes complexes

Canaux internes

Performance

Geschichte

Das Projekt zur Herstellung eines Wärmetauschers für die FormUp® 350-Maschine entstand aus dem Wunsch, das von PrintSky entwickelte Know-how zu nutzen. PrintSky ist ein Joint Venture, welches von AddUp, einem Hersteller von Metall-3D-Druckmaschinen, und Sogéclair, einem Anbieter innovativer Lösungen für eine sauberere und sicherere Mobilität, gegründet wurde. Ziel war es, d i e Vorteile einer optimierten additiven Fertigungslösung durch einen Vergleich mit herkömmlichen Methoden hergestellten System zu bewerten.

Das Teil, das für diese Anwendung ausgewählt wurde, ist der Kühler für den Abgasstrom des Schmelzrauchs. In einer L-PBF-Maschine, wie der FormUp 350 von AddUp, strömt ein Inertgasstrom durch die Fertigungskammer, der die beim Schmelzen entstehenden Dämpfe absaugt. Dieser Gasstrom, der in einem geschlossenen Kreislauf mit hoher Geschwindigkeit (mehrere Meter pro Sekunde) zirkuliert, erfordert ein effizientes Kühlsystem.

Herausforderungen

Eine der Hauptanforderungen des Projekts bestand darin, die Produktionskosten des Wärmetauschers niedriger oder gleichwertig mit der herkömmlichen Lösung zu halten und gleichzeitig seine Leistung zu optimieren, um die Wärmeableitung zu verbessern und seine Abmessungen anzupassen, um den Einbau in die Maschinen zu vereinfachen.

Für dieses innovative Projekt begannen die Ingenieure von AddUp bei Null. Sie definierten das zu erreichende Leistungsniveau, um einen Wärmetauscher zu entwickeln, der die Anforderungen der Anwendung perfekt erfüllt, ohne den Marktstandards zu entsprechen. Die internen Kanäle, Rippen und Schnittstellen wurden angepasst, um die Kompaktheit und die Leistung des Teils zu optimieren.

Die Konstrukteure nutzten die Kernkompetenzen von PrintSky, um die Geometrie, den Platzbedarf und die Produktionszeiten zu optimieren (unter Verwendung von hochproduktiven Rezepten). Interne Kanäle, Rippen und Schnittstellen wurden angepasst, um die Kompaktheit des Teils zu optimieren und gleichzeitig eine verbesserte Leistung zu gewährleisten. All dies wurde durch die Integration der Erfahrung von AddUp bei der Herstellung von Wärmetauschern erreicht.

Lösung

Die Konstrukteure von AddUp und Printsky entschieden sich dafür, die Geometrie und den Platzbedarf des Wärmetauschers sowie die Fertigungszeiten zu optimieren. Um dies zu erreichen, verwendeten sie hochproduktive Parameter und ließen die Erfahrung von AddUp im Bereich der Wärmetauscher in jede ihrer Designentscheidungen einfließen. Die Formen der Kühlrippen, zum Beispiel wurden so konzipiert, dass sie die Entfernung von ungeschmolzenem Pulver erleichtern. Dieser innovative Wärmetauscher und seine Anschlüsse wurden in CATIA entworfen, und die Kühlung wurde mit der Software Altair simuliert. Die gesamte Einheit wurde so konzipiert, dass sie in einem Stück gedruckt werden kann, wodurch sich die Montagezeiten im Vergleich zu herkömmlichen mechanisch geschweißten Wärmetauschern verringern.

Das Ziel ist es, das Interesse an der PBF-Technologie zu demonstrieren, um Wärmetauscher mit verbesserter Kompaktheit, guter thermischer Leistung und 3D- gedrucktem Metall in einem Arbeitsgang herzustellen.

Die Antwort auf die Fragen der Luft- und Raumfahrtindustrie zum Thema thermisches Getriebe durch die Pulverbettfusionstechnologie (PBF-Prozess) ist  Temisth und PrintSky – Das AddUp SOGECLAIRE Joint-Venture – Vorschlag im Rahmen einer Partnerschaft mit der Europäischen Weltraumorganisation. Bei dieser Studie ging es darum, den Bedürfnissen der Raumfahrtindustrie gerecht zu werden. Das Teil wurde in Aluminium auf einer FormUp 350 Maschine von AddUp hergestellt.

Kontext

PrintSky ist ein Joint Venture zwischen der AddUp-Gruppe, einem Experten für die additive Fertigung von Metallen, und SOGECLAIR, das sich auf die Integration von Lösungen mit hohem Mehrwert in den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie ziviler und militärischer Transport spezialisiert hat. Temisth ist auf die Entwicklung kundenspezifischer thermischer Lösungen spezialisiert, die mit Hilfe der additiven Fertigung maßgeschneidert werden. Das Ziel von PrintSky und Temisth war es, ihr Interesse an der PBF (Powder Bed Fusion – Laser) Technologie zu demonstrieren, um Wärmetauscher mit verbesserter Kompaktheit zu entwickeln.

Verwend ete Mittel

Printsky hat eine eigene Methodik zur Dimensionierung von Wärmetauschern nach den vorgegebenen Merkmalen entwickelt. In diesem Beispiel ging es darum, die Anforderungen der Raumfahrtindustrie zu erfüllen. Das Teil wurde in Aluminium auf einer FormUp 350-Maschine von AddUp hergestellt.

Vorteile des 3D- Drucks von Metall

Die additive Fertigung von Metallen ist relevant für thermische Anlagen. Es ermöglicht die Herstellung von Kanälen mit komplexen Formen, wodurch die thermische Leistung verbessert und gleichzeitig das Volumen reduziert wird. Dieser Wärmetauscher hat dünne Wände (250 μm) und doppelt gekrümmte Kanäle, die mit herkömmlichen Techniken nicht hergestellt werden können. Die auf einem Prüfstand durchgeführten Tests ermöglichten es uns, die Dichtheit des Teils sowie seine Leistung zu validieren, die angesichts der Kompaktheit des Wärmetauschers sehr hoch ist. PrintSky hat ein Partnerschaftsabkommen mit der ESA (Europäische Weltraumorganisation) für die Entwicklung dieses Aluminiumteils abgeschlossen.

Der AddUp-Vorteil

Metallpulver in feiner Partikelgröße, das hier auf der FormUp-Maschine verwendet wird, ermöglicht eine an den Wärmeaustausch angepasste Oberflächenbeschaffenheit.

Sehen Sie, wie AddUp und PrintSky ein gutes Gleichgewicht zwischen Steifigkeit und Masse mit einem hohen technischen und wirtschaftlichen Wert für ein Luftfahrtteil entwickeln.

Die CEA (Französische Kommission für alternative Energien und Atomenergie) hat sich mit AddUp zusammengetan, um die Plattform Famergie zu gründen, die Hersteller im Energiesektor bei der Entwicklung von Projekten für die Herstellung von Teilen mit Hilfe der additiven Fertigung von Metallen unterstützt. Das erste Projekt, das aus dieser Partnerschaft hervorgegangen ist, ist ein Demonstrator für einen Methanisierungsaustauscher-Reaktor. Diese Vorrichtung wandelt CO₂ in Methan um, das als synthetischer Kraftstoff verwendet werden kann. Da die Methanisierungsreaktion bei hohen Temperaturen und hohem Druck abläuft, ist die Konstruktion des Wärmetauschers entscheidend für die Effizienz und Kontrolle der gesamten Methanproduktion. Lesen Sie die Fallstudie über den additiven 3D-Druck des Trägerteils für die Luft- und Raumfahrt mit der FormUp 350® Maschine.

Kontext

PrintSky ist ein Joint Venture zwischen der AddUp-Gruppe, einem Experten für die additive Fertigung von Metallen, und SOGECLAIR, das auf die Integration von Lösungen mit hohem Mehrwert in den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie ziviler und militärischer Transport spezialisiert ist. Die CEA (Französische Kommission für alternative Energien und Atomenergie) beauftragte Printsky mit der Neugestaltung eines typischerweise maschinell bearbeiteten Trägerteils, wobei die Möglichkeiten der additiven Fertigung genutzt werden sollten, um dessen Masse zu reduzieren. Dieser Träger muss auch seine Funktionalitäten genau gewährleisten, um die Ausrüstung zu halten, die er tragen soll, und den Belastungen standhalten, denen er ausgesetzt ist.

Durchgeführte Massnahmen

PrintSky war für das Designteil des Projekts verantwortlich und entwickelte seine eigene Erfahrung und Methodik, um die Eigenschaften des Metallteils in Bezug auf Mechanik und Herstellbarkeit umzusetzen. Die Produktion wurde dann den Experten von AddUp anvertraut, die das Luft- und Raumfahrtteil mit ihrer FormUp350®-Maschine 3D-gedruckt haben.

Vorteile des 3D-Metalldrucks

Nach der topologischen Optimierung ermöglicht die additive Fertigung die Entwicklung komplexer Formen, die Verbesserung der Leistung und die Verringerung des Volumens eines Metallteils. Sie ermöglicht auch die Herstellung sehr robuster Teile. Das Material wird nämlich nur dort hinzugefügt, wo es notwendig ist, entweder um die Kräfte zu unterstützen oder um die Funktionalität zu gewährleisten, wie z. B. die Befestigung, die Auflagefläche oder anderes. Ein gutes Gleichgewicht zwischen Steifigkeit und Masse mit einem hohen technischen und wirtschaftlichen Wert für ein Luftfahrtteil.

Ergebnisse

Die optimierte Halterung erfüllt die gleichen Funktionen wie die ursprüngliche Halterung, jedoch mit einer erheblichen Gewichtsreduzierung, die mit herkömmlichen Technologien nicht zu erreichen ist.

Durch die Verwendung von feinem Pulver konnte eine gute Oberflächengüte erzielt werden, und schließlich wurde das Teil ohne Stützstrukturen hergestellt, was eine erhebliche Zeitersparnis bei der Nachbearbeitung ermöglicht.

Der AddUp-Vorteil

Die Anwendung der mit FormUp350® gewonnenen Materialeigenschaften und der Simulationswerkzeuge für die additive Fertigung durch AddUp hat es uns ermöglicht, die thermomechanischen Verformungen zu antizipieren und nach nur einer Iteration nachgiebige Teile zu erhalten.

Ein additiv gefertigter Kameraträger, der Beschleunigungen und Vibrationen beim Start ins All standhält und eine Kamera und ihr Objektiv während d e r Produktionsphasen eines 3D-Metalldruckers in Position hält.

Ziel des Projekts „Metal3D“ ist die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften eines in der Schwerelosigkeit geformten Materials. Zur Durchführung dieses Experiments werden zwei Chargen von Probekörpern mit demselben Druckermodell hergestellt. Während die erste Charge in Toulouse in der Erdgravitation hergestellt wird, wird die zweite Charge im Weltraum, genauer gesagt i m Columbus-Modul der ISS (Internationale Raumstation), in der Mikrogravitation hergestellt.

Mission

„Metal3D“ ist eine von der ESA (Europäische Weltraumorganisation) in Auftrag gegebene Mission als Technologiedemonstrator. Ihr Ziel ist es, die mechanischen Eigenschaften eines in der Schwerelosigkeit geformten Materials zu charakterisieren. Zur Durchführung dieses Experiments werden zwei Chargen von Probekörpern mit demselben Druckermodell hergestellt. Die erste Charge wird in Toulouse in der Schwerelosigkeit hergestellt, die zweite im Weltraum, genauer gesagt im Columbus- Modul der ISS (Internationale Raumstation), in der Mikrogravitation. Für die Herstellung dieser beiden Drucke haben wir zwei identische Exemplare einer 3D- Metalldruckmaschine entwickelt und hergestellt, die in beiden Umgebungen arbeiten kann. Der Drucker, den wir für diese Mission entwickelt haben, wird also der erste sein, der Metallteile im Weltraum druckt.

Prozess

Bei fehlender Schwerkraft sind die meisten derzeitigen additiven Fertigungsverfahren nicht mehr anwendbar. Um die Fertigung unter Schwerelosigkeit zu ermöglichen, nutzen wir die durch die Oberflächenspannung verursachten Kräfte. Wir verwenden einen Laser als Energiequelle und Stahldraht als Rohmaterial. Der Laser erhitzt das Substrat, um ein Flüssigkeitsbad zu erzeugen. In dieses Flüssigkeitsbad tauchen wir den Stahldraht ein. Indem wir den Draht in das Flüssigkeitsbad schieben, verflüssigt sich dieser ebenfalls und vergrößert das Volumen des Schmelzbades. Anschließend bewegen wir den Laser und damit das Flüssigkeitsbad an die Oberfläche des Substrats, während wir den Draht in diesem Bad abwickeln, um nach dem Erstarren des Flüssigkeitsbads einen Wulst zu erzeugen. Eine Schicht besteht aus einer oder mehreren Perlen, je nach der Geometrie des herzustellenden Teils. Sobald die Schicht fertig ist, beginnt der Prozess von neuem, wobei die vorherige Schicht als Substrat dient. Auf diese Weise wird Schicht für Schicht ein volumetrisches Teil geschaffen.

Für den Prozess verwenden wir einen 316L-Draht. Der Laser und der Draht sind fest im Maschinenrahmen installiert, die Tischplatte wird durch 3 lineare Achsen und 1 Drehachse beweglich gemacht. Die Maschine wird betrieben unter Stickstoff, um die Oxidation des Materials zu begrenzen und das Risiko einer Verbrennung zu vermeiden. Da der Zugang zu Stickstoff in der ISS begrenzt ist, wird diese Atmosphäre während des gesamten Herstellungsprozesses durch Filtration und Kühlung recycelt.

Partner

Die Mission wird von den Teams von Airbus Defense & Space geleitet. Die Universität Cranfield liefert den Laser, die optische Kette und das Kabelversorgungssystem für das System. Hightech liefert das Gehäuse der Maschine, das ein abgedichtetes und gekühltes System sowie die Schnittstellen zwischen der Maschine und dem Gestell, an das sie angeschlossen ist, umfasst. Airbus übernimmt nicht nur die Leitung des Projekts, sondern auch die elektronischen und sicherheitstechnischen Aspekte der Maschine.

Auf der mechanischen Seite ist AddUp für die interne Struktur und den mobilen Teil der Maschine zuständig. AddUp verwaltet auch die Steuerplatine und die Sensoren, die den Prozess überwachen. Auf der Software-Seite hat AddUp die SPS der Maschine entwickelt. Diese Software hat mehrere Funktionen, sie ermöglicht die Kommunikation mit dem Boden, indem sie verschiedene Arten von Daten (Messungen, Fotos, Berichte, usw.) von der Maschine sendet und die empfangenen Befehle ausführt.