AddiFeE –
Innovation Additive Fertigung –
per Metall-Laserstrahlschmelzen hergestellte Bauteile für den Maschinen- und Automobilbau

Autoteile aus dem Drucker
(Online/Erstellt: 16. September 2015)

Mit Fragen der Herstellung von metallischen Serienbauteilen in der Automobil- und Maschinenbauindustrie mittels 3D-Druck befasst sich ein Forschungsprojekt an der TH Mittelhessen. Die Friedberger Professoren Dr. Udo Jung und Dr. Heinrich Friederich vom Kompetenzzentrum Verkehr – Mobilität – Automotive untersuchen ein neues Verfahren, das Metall-Laserstrahlschmelzen. Partner sind FKM Sintertechnik aus Biedenkopf, Sanden International (Europe) mit Sitz in Bad Nauheim und Henkel Modellbau aus Breidenstein. Das Land Hessen fördert das Vorhaben mit 300.000 Euro.

Metall-Laserstrahlschmelzen ist eine Technik, mit der ein Produkt schichtweise aufgebaut wird. Ein von einem CAD-Datensatz gesteuerter Laserstrahl verschmilzt bei Temperaturen von mehreren hundert Grad sehr dünne Pulverschichten. Die Bearbeitung erfolgt Schicht für Schicht in vertikaler Richtung.

Diese additive Fertigung hat gegenüber konventionellen Verfahren verschiedene Vorteile. Beschränkungen klassischer Produktion, die zum Beispiel bei Gussteilen Hohlräume oder Hinterschneidungen vermeiden muss, fallen weg. Jedes Bauteil lässt sich ohne Werkzeugwechsel anders herstellen als das vorherige. Dadurch wird zum Beispiel eine Kleinserien- oder Einzelteilfertigung attraktiver. Ersatzteile können bei Bedarf dezentral produziert werden und machen eine teure Lagerhaltung überflüssig. „Die Möglichkeiten der additiven Fertigung sorgen für eine erhebliche Flexibilisierung des Konstruktions- und Produktionsprozesses. Sie ist eine Schlüsseltechnologie zur Umsetzung der Hightech-Strategie ´Industrie 4.0`, die die Bundesregierung anstrebt“, sagt Udo Jung.

Bislang kommt das Metall-Laserstrahlschmelzen in der Luftfahrtindustrie sowie in der Zahn- und Medizintechnik zum Einsatz. Für die angestrebte Nutzung in Maschinenbau- und Autoindustrie fehlen wesentliche Kenntnisse zu passenden Fertigungsparametern. In dem Projekt sollen deshalb Fragen nach der optimalen Schichtdicke, der Positionierung im Bauraum und der Temperatur und Energiedichte des Lasers geklärt werden. Für gängige Werkstoffe wie Walzstahl oder Aluminium-Druckguss gibt es seit Jahrzehnten Kennwerte für Konstruktion und Auslegung eines Bauteils. Im Projekt wollen die Wissenschaftler solche zuverlässigen Werkstoffkennwerte auch für mit dem neuen Verfahren gefertigte Bauteile bereitstellen. „Dabei geht es um mechanische Eigenschaften wie zum Beispiel Zugfestigkeit, Steifigkeit und Elastizität, Zähigkeit oder Porosität“, führt Heinrich Friederich aus.

In mehr als 400 Einzelversuchen werden Bauteile aus einer Stahl- und einer Aluminiumlegierung experimentell untersucht. Erstmals wollen die Forscher das Verhalten der mit dem Laserstrahlschmelzverfahren hergestellten Bauteile auch per Computer simulieren und so die Zahl kostspieliger Versuche begrenzen.

„Wir werden die Ergebnisse in einer konkreten Handlungsanweisung zusammenfassen, nach der diese Bauteile mit zuverlässigen und reproduzierbaren Eigenschaften hergestellt werden können. Sie dient den Konstrukteuren als Mittel für die sichere Auslegung von Bauteilen mit hoher Prozesssicherheit und Qualität“, fasst Jung zusammen.

Das Forschungsvorhaben läuft zwei Jahre und hat ein Gesamtvolumen von 415.000 Euro. Es wird im Rahmen der hessischen „Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz“ (LOEWE) unterstützt.

PHS-Fügen –
Erschließung innovativer Potenziale durch das Halbhohlstanznieten von Bauteilen aus ultrahochfesten, warmformgehärteten Stählen

Einspritzsysteme für moderne Dieselmotoren –
New methodology for early injector qualification in real engine

Despite the main stream powertrain technologies such as electrification, sophisticated exhaust after treatment systems and modern transmission concepts, the high pressure fuel injection will be an important component also in the future. The main reason for this circumstance is that while the powertrain technologies have become substantially more powerful, also the legal requirements have become significantly more challenging and so low engine out emissions remain to be also a major development target in the future. This is in line with publications from Daimler and BMW who declare that beside sophisticated after treatment systems and powertrain electrification very good engine raw emissions will be inevitable.
Whereas many different parameters of a fuel injection system can be pre-evaluated either by numerical simulation or by testing on a component test rig, some tasks need to be performed in vehicle or at least in a real engine dyno. In case of an entirely new engine design layout, the decisive question often is which injector concept to be used. Injector concept does not only means piezo or solenoid actuator but also is about the particular nozzle spray hole design, that is of big importance for emissions as well as coking robustness - especially in countries with critical fuel qualities.

To be able to pre-qualify also a totally new injector design not only for its hydraulic performance as it can be done on a component test bench but also for its emission and fuel robustness behavior, a new concept for injector testing on engine was established by Hyundai Motor Europe Technical Center. The new test concept makes use of a well-known base engine as a so called “concept carrier engine”. This engine is specially modified to anticipate the main features of the next upcoming engine generation and fitted with a special “injector controller interface” developed by HMETC and VEMAC. This device finally allows to operate any type of injector in that engine as long as it fits design wise into the injector bore of the cylinder head.
After more than one year of concept validation, this new method turned out to be not only cost wise very attractive but also very efficient in terms of engineering resources. However, in the eyes of the authors the biggest advantage is the fact that e.g. the injector fuel robustness, which is strongly linked to customer perceived quality in the field, can now be evaluated already in a very early phase of the engine development rather towards the end of the project. Hence, there is plenty of time to define robustness countermeasures together with the particular injector supplier if needed.

Find here the published project report.

This was an industrial coorperation project between HMETC (Hyundai Motor Europe Technical Center, Mr. J. Ullrich, Mr. R. Steiniger), VEMAC (Mr. M. Reke) and THM (Lab for internal combustion engines; Ms R. Semisch and Mr. C. Breuer)

Pkw-Strukturen –
Schnelle und einfache Vorauslegung von Pkw-Strukturen hinsichtlich Betriebsfestigkeit unter Einbindung neuer Werkstoffe und Fertigungsverfahren

Karosseriekonzepte –
Konzeptentwicklung kritischer Pkw-Karosseriestrukturen mit Komponenten-Berechnungsmodellen

Windkanal Göttinger Bauart – Sondermesstechnik - Vermessung der Strömungseigenschaften des Windkanals Göttinger Bauart und Vorbereitung der Sondermesstechnik zur Forschung

HMWK: Forschung für die Praxis (01.08.2015 – 31.10.2016)

Prof. Dr.-Ing. Roland Dückershoff

Abschlussbericht zum Forschungsantrag zum FuE-Förderprogramm „Forschung für die Praxis“ 2014

Thema:  Windkanal Göttinger Bauart –Sondermesstechnik /WGB

Vermessung der Strömungseigenschaften des Windkanals Göttinger Bauart und Vorbereitung der Sondermesstechnik zur Forschung

Antragsteller:  Prof. Dr.-Ing. Roland Dückershoff (This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Projektlaufzeit: 01.08.2015 – 31.10.2016

1. Ausgangsfragen und erwartete Ergebnisse des FuE Projekts

Erstes Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, den 1x1 m² Windkanal Göttinger Bauart für die Forschung vorzubereiten und den Studierenden in der Lehre als Windkanal-Laborprüfstand zur Verfügung zu stellen. So wird der Windkanal parallel zum hier vorgestellten Forschungsprojekt auch im Bereich der Lehre eingesetzt.

Mit der Inbetriebnahme der Hitzdraht-Anemometrie und der Nutzung laseroptischer Messsysteme, PIV (Particle Image Velocimetry) bzw. Laserdoppler, werden moderne und vielseitig einsetzbare Messmethoden des Windkanalversuchs eingeführt und im Rahmen des Forschungsvorhabens erprobt. Diese Messtechniken sollen den Studierenden in der Lehre, d.h. im Rahmen von Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten ebenfalls zugänglich sein.

Im zweiten Teil dieses Forschungsvorhabens wird mit dem Einsatz und der Erprobung der Ammoniak-Diazo-Messtechnik ein modellhaftes und hochauflösendes Sondermessverfahren zur flächigen Untersuchung der adiabaten Filmkühleffektivität eingeführt. Dieses Verfahren wird bisher nur an wenigen Universitäten, wie z.B. der BTU Cottbus-Senftenberg, der TU Darmstadt und dem Cambridge University Engineering Department eingesetzt.

Die Ammoniak-Diazo-Messtechnik zur Bewertung der Qualität der Filmkühlung an thermisch hochbelasteten Bauteilen, wie Turbinenschaufeln und Brennkammern moderner Gasturbinen, wird bei der Untersuchung der Filmkühlung mittels „Converging-Slot Holes“ eingesetzt. Die Untersuchungen zur adiabaten Filmkühleffektivität mittels „Converging-Slot Holes“ in Bereichen verzögerter Hauptströmung sollen helfen, grundlegende Kenntnisse zu gewinnen, sodass verlässliche Daten und Modelle zu Konstruktion und Design solcher Filmkühlbohrungen in realen Turbinenschaufelanwendungen geliefert werden. Begleitet werden diese Untersuchungen von Laser-PIV Messungen, welche Aufschluss über die räumliche Strömung und Kühlfilmbildung in der Scherschicht zwischen Kühllufteinblasung und Heißgas liefern werden. Diese Kenntnisse sind in entsprechenden Veröffentlichungen bekannt zu geben.

2. Darstellung der erreichten Ergebnisse und Meilensteine unter Berücksichtigung von Problemen und Herausforderungen, die eventuell im Projektverlauf aufgetreten sind

Der 1x1 m² Windkanal Göttinger Bauart ist in Betrieb genommen und für Forschung und Lehre als Windkanal-Laborprüfstand qualifiziert. Bei Strömungsgeschwindigkeiten von 20 m/s – 50 m/s im Kernstrahl der Messtrecke ist der Turbulenzgrad Tu < 0,5%, wobei die Homogenität der Strömung im Querschnitt mit Du/u < 1% ist. Bei der Strömungsgeschwindigkeit 10 m/s ist der Turbulenzgrad ebenfalls noch Tu < 1%, wobei die Homogenität der Strömung auch mit Du/u < 1% ist. Die Strömungsgeschwindigkeitsminima liegen hierbei im Freistrahlmittelpunkt, und wachsen zur Seite hin um Du/u symmetrisch (horizontal wie vertikal) an. Am Freistrahlrand (50 mm von 1000 mm Freistrahlbreite bzw. -höhe) wächst die Turbulenz stark an, während die Geschwindigkeit abfällt. Es bleibt ein nutzbarer Freistrahlquerschnitt von 900 mm x 900 mm. Somit sind die Meilensteine (1) und (2) des Forschungsprojektes erreicht. Die Lasermesstechnik ist am Windkanal in Betrieb genommen, flächige Strömungsfelduntersuchungen sind durchgeführt und valide. Der Meilenstein (3) des Forschungsprojektes ist somit ebenfalls erreicht. Eine Versuchskammer zur Untersuchung der adiabaten Filmkühlung in Gebieten mit verzögerter Hauptströmung ist entwickelt und in der Messstrecke des Windkanals aufgebaut. Ein Versuchsträger mit „Converging-Slot Holes“ ist konstruiert, als Baseline ist ein Versuchsträger mit konventionellen zylindrischen Bohrungen entwickelt. Beide Versuchsträger sind im 3D-Laserdruckverfahren erstellt und in der Versuchskammer des Windkanals strömungstechnisch untersucht. Somit ist der Meilenstein (5) erreicht. Die Messergebnisse, Projektergebnisse und Schlussfolgerungen sind in Projekt- und Abschlussarbeiten dokumentiert, der Abschlussbericht wird hiermit gegeben. Der Meilenstein (7) ist hiermit erreicht.

Untersuchungen der Strömung mittels Laser-PIV bei Kühlluftausblasung mittels „Converging-Slot Holes“ zeigen ein starkes Wandstrahlverhalten der ausgeblasenen Kühlluft. Dies lässt eine stark verbesserte Filmkühleffektivität bei Nutzung dieser Ausblasegeometrie gegenüber den heute gebräuchlichen zylindrischen Kühlluftbohrungen erwarten. Für die Auswertung der adiabaten Filmkühleffektivität mittels Ammoniak-Diazo-Messtechnik ist ein Auswerteprogramm zur Bildverarbeitung und Kalibrierung erstellt. Somit ist es möglich die Versuche zur Bestimmung der adiabaten Filmkühleffektivität mit dem Ammoniak-Diazo-Verfahren flächig hochauflösend und zeitnah zum Versuch auszuwerten. Dokumentiert ist dies in der Masterthesis des wissenschaftlichen Mitarbeiters M. Sc. Lucas Feucht, der mit dieser Abschlussarbeit für den Robert-Paul Kling Preis des VDI-Bezirksvereins Mittelhessen vorgeschlagen wird.

Es gelang im Rahmen des Forschungsprojektes leider nicht, die Ammoniak-Diazo-Anlage zur Messung der adiabaten Filmkühleffektivität im Windkanal wie geplant in Betrieb zu nehmen. Die Auswertesoftware zur Sondermesstechnik mittels Ammoniak-Diazo-Anlage wurde erstellt, das Tracergasverfahren selbst konnte aber noch nicht eingesetzt werden, da Fragen hinsichtlich Be- und Entlüftung der Laborhalle nicht geklärt werden konnten. Die Software zur Sondermesstechnik „Ammoniak-Diazo-Messtechnik mit Online-Kalibrierung“ konnte anhand alter Messergebnisse validiert werden, neue Messergebnisse konnten hierzu im Rahmen des Forschungsprojektes nicht generiert werden.

3. Perspektiven für die Einwerbung von Drittmitteln bzw. Folgeprojekten

Die Perspektiven zum Einwerben von Drittmitteln sind gegeben bzw. gestiegen, da die Strömungsqualität des Windkanals nun validiert und als gut qualifiziert ist. Es steht am Fachbereich M der THM ein großer Windkanal (1m x 1m) mit entsprechender Messtechnik zur aerodynamischen Forschung und Entwicklung bereit. Themen aus der Gebäude-, Fahrzeug- und Luftfahrtaerodynamik können hier experimentell untersucht werden sowie Themen des konvektiven Wärmeübergangs.

Ein Auswerteprogramm zur Bestimmung der adiabaten Filmkühleffektivität mittels Ammoniak-Diazo-Messtechnik steht zur Verfügung. Gelingt es, die Ammoniak-Diazo-Tracergasanlage am Windkanal in Betrieb zu nehmen, so steht ein flächig hochauflösendes Verfahren zur Bestimmung der adiabaten Filmkühleffektivität bereit.

4. Darstellung zur Verwertung bzw. Verwertbarkeit der Ergebnisse oder zur Anwendung der Ergebnisse in der Praxis

Die Qualität der Strömung in der Messtrecke des Windkanals ist validiert und der Windkanal kann grundsätzlich zu Modellversuchen der Strömungsmechanik in Lehre und Forschung eingesetzt werden.

Mit der lasertechnischen Untersuchung der Strömungsphänomene bei der Filmkühlung mit „Converging-Slot Holes“ konnten gegenüber den Untersuchungen mit konventionellen zylindrischen Kühlluftbohrungen deutlich Verbesserungspotentiale ermittelt werden, da sich ein intensives Wandstrahlverhalten zeigt. Insofern ist eine effektive und luftsparende Kühlmethode absehbar. Die Empfehlung des Einsatzes dieser Filmkühlkonfiguration zur Kühlung zukünftiger Heißgasturbinen (Fluggas- und stationäre Gasturbinen) ist gegeben und die Weiterentwicklung voranzutreiben.

5. Geplante Publikationen

Geplant war, Ergebnisse des Projekts zur adiabaten Filmkühleffektivität auf der „12-Europen Turbomachinery Conference / 3-7 April 2017 Stockholm Sveden“ vorzustellen. Ein Abstract "Film cooling by use of console holes in regions with decelerated hot gas main stream" wurde im Sommer 2016 unter der ID number 38 eingereicht (Topic area: 3.8 Heat transfer and blade cooling) und der Beitrag wurde angenommen.

6. Darstellung der durchgeführten Maßnahmen in der Nachwuchsförderung

Im Forschungsprojekt waren neben dem wissenschaftlichen Mitarbeiter, Herr Feucht (50%; TV-H E; 15 Monate) eine wiss. Hilfskraft (7 Monate für 5 Std. die Woche) und mehrere Studierende eingebunden.

Die Projektmitarbeiter wurden so an moderne Messtechnik (Druck- und Temperatur, Laser- und Hitzdrahtmesstechnik sowie Kalibrierung und Validierung) und Methoden der angewandten Windkanalaerodynamik (Modellentwicklung und Modellumsetzung) herangeführt. Den Studierenden wurde ermöglicht, Messdaten mittels selbst zu erstellender digitaler Datenerfassung und Auswertprogramme aufzuzeichnen, auszuwerten und zu interpretieren.

Dokumentiert ist dies in einer Vielzahl von Projekt- und Abschlussarbeiten. Dies sind zwei Projektarbeiten (*) und zwei Abschlussarbeiten (**) im Bachelor Maschinenbau und drei Projektarbeiten (***) und eine Abschlussarbeit im Master Maschinenbau Mechatronik (****).

(*)             Steffen Naumann: „Messung und Bewertung der Strömungsqualität im Freistrahl des 1x1 m² Windkanals Göttinger Bauart (GWK) der THM“, 2015

            Kevin Braum: „Entwicklung und Konstruktion eines Modells zur Untersuchung der adiabaten Filmkühleffektivität mittels Console Holes“, 2016

(**)      Steffen Naumann: „Entwicklung und Konstruktion einer Messstrecke zur Untersuchung der adiabaten Filmkühleffektivität bei verzögerter Hauptströmung mittels Ammoniak-Diazo-Verfahren und Laser-PIV-System “, 2016

            Kevin Braum: „Konstruktion und Bau eines Kalibrierwindkanals zur Kalibrierung von Strömungsmesssonden“, 2016

(***)     Dominik Krön: „Messung und Bewertung der Strömungsturbulenz im Freistrahl des 1x1 m² Windkanals Göttinger Bauart GWK der THM“, 2016

            Stefan Schmidt: „Inbetriebnahme des Laser-PIV-Systems zur flächigen (2D) Geschwindig-keitsmessung am 1x1 m² Windkanal Göttinger Bauart GWK der THM“, 2016

            Lucas Feucht: „Messung und Bewertung der Strömungsqualität im Freistrahl des 1x1 m² Windkanals Göttinger Bauart (GWK) der THM“, 2016

(****)    Lucas Feucht: „Filmkühlung durch Console Holes in Gebieten mit verzögerter Heißgasströmung“, 2016