Fluiddynamik 3D-Druck zeigt seine Stärken in der Spitzentechnologie

Autor / Redakteur: Rik Jacobs / Stefan Guggenberger

Der additiven Fertigung gelingt es immer mehr, sich im Bereich der Spitzentechnologie zu etablieren. So ist es mit 3D-gedruckten Teilen möglich, die Fluiddynamik von Raketentriebwerken oder die Kühlung des großen Teilchenbeschleunigers am CERN zu verbessern.

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Durch Nutzung der additiven Fertigung anstelle herkömmlicher Werkzeugmethoden können Gesamtfläche, Materialeinsatz und Gewicht beispielsweise bei solchen Flüssigkeitsverteilern reduziert werden.
Durch Nutzung der additiven Fertigung anstelle herkömmlicher Werkzeugmethoden können Gesamtfläche, Materialeinsatz und Gewicht beispielsweise bei solchen Flüssigkeitsverteilern reduziert werden.
(Bild: 3D Systems)

Bisher war es eine Herausforderung, die Fluiddynamik mit den verfügbaren Produktionstechnologien zu verbessern. Es gibt zwar Software, mit der optimale Entwürfe erstellt und simuliert werden können. Die Herstellung war mit konventionellen Produktionstechniken jedoch nur begrenzt möglich – und vor allem nicht kostengünstig. Mit der additiven Fertigung eröffnen sich nun neue Möglichkeiten zur Verbesserung fluiddynamischer Anwendungen, die sich positiv auf die Leistung, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit dieser Teile und Systeme auswirken.

Wo die additive Fertigung eingesetzt werden kann und welche Vorteile sowie Verbesserungen sich daraus ergeben, kann an vier beispielhaften Anwendungen dargestellt werden:

  • Kühlelemente: 3D-gedruckte Titan-Kühlstäbe am CERN
  • Antriebssysteme: Einspritzdüsen für neues Raketentriebwerk
  • Mikrofluidik: Komponenten für Lab-on-Chip-Plattform
  • Flüssigkeitsverteiler ohne Stagnationszonen

Kühlelemente: 3D-gedruckte Titan-Kühlstäbe am CERN

Die Ebenheit der 3D-gedruckte Titan-Kühlstäbe hat eine Toleranz von lediglich 50 Mikrometern.
Die Ebenheit der 3D-gedruckte Titan-Kühlstäbe hat eine Toleranz von lediglich 50 Mikrometern.
(Bild: 3D Systems)

Die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN) nutzte die additive Fertigung, um die Teilchendetektion in ihren Experimenten am Large Hadron Collider zu verbessern. Um Partikelreaktionen für die Studie zu erhalten, musste das Forschungsteam den Detektionsbereich auf –40 °C abkühlen, was aufgrund mehrerer Faktoren kompliziert war. Erstens ist der Raum, in den die Kühlstäbe passen müssen, begrenzt, und die Hitze muss auf engstem Raum abgeführt werden. Dann muss die Temperatur über die gesamte Länge des Fotodetektionsstreifens gleichmäßig sein. Und schließlich müssen die Kühlstäbe eben sein, um die Effizienz und Auflösung des Detektors zu bewahren.

Das Team entwickelte ein ideales Teiledesign. Die erforderliche Wandstärke stellte jedoch eine besondere Herausforderung dar, da sie nicht für die gesamte Länge des Teils (263 mm) herausgefräst werden konnte. In Zusammenarbeit mit der Application Innovation Group von 3D Systems entwickelte und fertigte das Team 600 3D-gedruckte Titan-Kühlstäbe (mehr als 150 Meter Kühlkanal). Diese verfügen über die geforderte Wandstärke von 0,25 mm sowie eine verlässliche Dichtigkeit und Ebenheit mit einer Toleranz von 50 Mikrometern.

Antriebssysteme: Einspritzdüsen für neues Raketentriebwerk

Durch den Einsatz von 3D-Druck konnte das DLR die Anzahl der Teile von 30 auf eins reduzieren, das Gewicht um zehn Prozent senken und die Systemleistung verbessern.
Durch den Einsatz von 3D-Druck konnte das DLR die Anzahl der Teile von 30 auf eins reduzieren, das Gewicht um zehn Prozent senken und die Systemleistung verbessern.
(Bild: 3D Systems)

Das Projekt SMILE, ein Konsortium aus 14 europäischen Partnern, erhielt von der Europäischen Kommission eine Horizon 2020-Förderung zur Entwicklung einer kleinen innovativen Trägerrakete. Im Rahmen des Projekts konzentrierte sich das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) auf den Flüssigkeitsantrieb für ein zuverlässiges und hochleistungsfähiges Triebwerk, das wiederzündbar sein sollte und gedrosselt werden kann. Um die Kühlung des Brennraums zu maximieren, musste der Motor über eine hochkomplexe Einspritzdüse verfügen. Hieraus ergab sich eine klare Notwendigkeit, auf die Konstruktionsmöglichkeiten der additiven Fertigung zurückzugreifen.

Mithilfe der additiven Metallfertigung konnte das DLR einen völlig anderen Konstruktionsansatz für seine Koaxialwirbel-Einspritzdüsen nutzen und gleich mehrere Unterkomponenten wegfallen lassen, was zu einer erheblichen Senkung der Produktionszeit und ‑kosten beitrug. Eine Reduzierung der Anzahl von 30 Teilen auf ein einziges Teil erbrachte schließlich eine Gewichtsersparnis von zehn Prozent. Gleichzeitig wurden bekannte Problemstellen an den Befestigungspunkten beseitigt, sodass die damit einhergehenden Maßnahmen zur Qualitätskontrolle erleichtert und die Systemleistung verbessert wurden. Insgesamt erreichte das Konsortium die angestrebte Stufe TRL6 (Technology Readiness Level), weil der verkürzte Fertigungszyklus eine zusätzliche Iteration ermöglichte.

Mikrofluidik: Komponenten für Lab-on-Chip-Plattform

Mikrofluidische Systeme verarbeiten oder manipulieren kleine Mengen von Flüssigkeiten mithilfe von Kanälen, deren Größe von zehn bis zu mehreren Hundert Mikrometer reicht. Angesichts dieser geringen Abmessungen und der Werthaltigkeit der beteiligten Flüssigkeiten stoßen konventionelle Herstellungsmethoden an ihre Grenzen. Für diesen Zweck sind sie zu langsam und kostenintensiv. Zudem erfordern sie arbeitsintensive Reinraumprozesse.

Im Rahmen des Lacewing-Projekts des Imperial College London zur Erkennung von Krankheitserregern wurde diese Mikrofluidikkartusche mit dem biokompatiblen Material Figure 4 MED-AMB 10 gedruckt.
Im Rahmen des Lacewing-Projekts des Imperial College London zur Erkennung von Krankheitserregern wurde diese Mikrofluidikkartusche mit dem biokompatiblen Material Figure 4 MED-AMB 10 gedruckt.
(Bild: 3D Systems)

Der Einsatz der additiven Fertigung und biokompatibler, produktionsfähiger Materialien ermöglicht eine weitaus höhere Geschwindigkeit und Designkomplexität in der Mikrofluidik. Dabei können Leistung und Produktionsmöglichkeiten zusätzlich erhöht werden. Im Rahmen des Lacewing-Projekts des Imperial College London zur Erkennung von Krankheitserregern wurde beispielsweise der Standalone-3D-Drucker Figure sowie biokompatible, produktionstaugliche Materialien genutzt, um sowohl Prototypen als auch Mikrofluidik- und Funktionskomponenten für eine Lab-on-Chip-Plattform zu produzieren. Jede Lacewing-Mikrofluidikkartusche ist etwa 30 mm x 6 mm x 5 mm groß und wird in 10-Mikrometer-Schichten gedruckt. Das Team am Imperial College verwendet den Werkstoff Figure 4 MED-AMB 10 und berichtet von einer überzeugenden Biokompatibilität für seine PCR-Reaktionen.

Flüssigkeitsverteiler ohne Stagnationszonen

Additive Fertigung hilft den Ingenieuren, Flüssigkeitsverteiler mit organischeren Formen zu entwerfen, um so die Strömung zu verbessern.
Additive Fertigung hilft den Ingenieuren, Flüssigkeitsverteiler mit organischeren Formen zu entwerfen, um so die Strömung zu verbessern.
(Bild: 3D Systems)

Flüssigkeitsverteiler sind ein integraler Bestandteil in vielen Branchen – von hochwertigen Industrieanlagen bis hin zum Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungs-Motorsport. Bei konventionell gefertigten Flüssigkeitsverteilern können ausgeprägte Ecken häufig nicht vermieden werden. Diese stören den Flüssigkeitsstrom und begünstigen die Bildung störender Stagnationszonen innerhalb des Teils, was zu Druckverlust führt. Außerdem sind sie in der Regel großvolumig und bringen ein hohes Gewicht mit sich.

Durch Nutzung der additiven Fertigung anstelle herkömmlicher Werkzeugmethoden können Ingenieure ihren Designprozess mit der optimalen theoretischen Form beginnen und eine dünne Werkstoffhülle um die Hohlräume herum legen. Bei diesem Ansatz können Gesamtfläche, Materialeinsatz und Gewicht reduziert werden, indem organischere Formen verwendet werden. Diese sorgen für eine bessere Leistung, da ausgeprägte Ecken und somit Stagnationszonen beseitigt werden.

AM treibt Innovationen an

Führende Hersteller setzen zunehmend auf die additive Fertigung, um ihre Leistung, Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern. Ingenieure sind nun in der Lage, hochwertige Teile ohne die Beschränkungen konventioneller Technologien zu entwickeln, was die Innovation vorantreibt und zu einer Revolution in der Industrie führt.

Wichtig ist dabei zu beachten, dass additive Fertigungslösungen nicht nur aus Materialien, Hardware und Software bestehen. Um die Leistung nachhaltig zu verbessern, ist technisches Know-how und umfassende Erfahrung in diesem Bereich unverzichtbar. Engineering-Dienstleister können für die Entwicklung, Validierung und Skalierung additiver Workflows einen enormen Mehrwert bieten. Entscheidend ist hier, dass die Berater schon in der frühen Designphase zugezogen werden, um den Zeitplan und letztlich das Ergebnis zu verbessern.

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(Bildquelle: VCG)

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