Adler, L.

Derntl, B.

Kunert, U.

Müller, O.

Neuberger, Heiko

Senn, S.

Stratil, L.

Volker, K.-U.

Weiß, A.

KITopen

 Entwicklung hybrider Prozessketten aus additiver und konventioneller Fertigungstechnologie für die Kernfusion  H. Neuberger1*, Dr. L. Adler2, R. Derntl2, B. Schmalisch2, O. Müller2, K.‐U. Volker3, U. Kunert3, Dr. L. Stratil4, S. Senn5, A. Weiß5   1 Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Neutronenphysik und Reaktortechnik, 2 Hermle Maschinenbau GmbH Ottobrunn, 3PHA Werkstofftechnik GmbH Lüdinghausen, 4Institute of Physics of Materials ASCR Brno, 5 TTI GmbH – Technologie‐Transfer‐Initiative an der Universität Stuttgart  *heiko.neuberger@kit.edu   Themenschwerpunkt: Prozesse und Anlagen für die Additive Fertigung  Beitragsart: Vortrag   Am Karlsruher  Institut  für Technologie  (KIT) werden Optionen  für zukünftige Herstellungsverfahren von  Komponenten  für  die  Kernfusion  aus  warmfesten  Stählen  entwickelt.  Ziel  ist  die  Realisierung komplexer  3D‐Schalengeometrien  die  ein  engmaschiges  Netz  an  oberflächennahen  und innenstrukturierten Kühlkanälen besitzen. Gleichzeitig soll die Anzahl der Schweißnähte  im Produkt möglichst  gering  sein.  Eine  hierfür  als  Lösungansatz  entwickelte  Prozesskette  basierend  auf  einem additiven Fertigungsschritt  (AM) und dem Fügen von Festkörpern durch Heiß‐Isostatisches Pressen (HIP) bietet bereits heute schon interessante Optionen für industrielle Anwendungen. Das hierbei  zur Anwendung kommende AM‐Verfahren des Metall‐Pulver‐Auftrags  (MPA) der Firma Hermle  vereint  als  hybriden  Maschinenansatz  einen  auf  Kaltgasspritzen  basierenden  additiven Materialauftrag  direkt  mit  einem  subtraktiven  Materialabtrag  durch  die  Kombination  mit  einem Hermle 5‐Achs‐CNC‐Bearbeitungszentrum. Beim Kaltgasspritzen werden metallische Pulver deutlich unterhalb  ihrer  Schmelztemperatur  verarbeitet.  Somit  kommt  es  zu  keinem  Aufschmelzen  des verwendeten  Ausgangspulvers.  Die  Erzeugung  eines  Materialverbunds  entsteht  durch  eine  hohe kinetische  Energie  beschleunigter  Pulverpartikel,  welche  ausreicht  bei  Aufschlag  eine  metallische Bindung  zu  erzeugen  (Bild  1).  Somit  können  auch  rissanfällige  hochwarmfeste  Stähle,  wie  der  im Kraftwerksbau  verwendete  P92‐Stahl,  additiv  verarbeitet  werden.  Das  weiterhin  von  Hermle entwickelte  wasserlösliche  Füllmaterial  erlaubt  das  Erzeugen  von  Hohlstrukturen,  wie  etwa Kühlkanälen (Bild 2, Prozessschritt 2). Somit können auf bis zu 700x400 mm² großen Substratflächen, welche eben als auch freigeformt sein können, konturnahe Kühlungen erzeugt werden.  Die  neuartige  Verfahrenskombination  (Bild  2,  Prozessschritte  1  ‐  9)  besitzt  im  Vergleich  zu  den etablierten  Fertigungstechnologien  zur  Herstellung  von  Komponenten  mit  innenliegenden druckbeaufschlagten Kanalstrukturen zwei Vorteile: einerseits können die AM gefertigten Bereiche im Produkt  deutlich  im  Volumen  reduziert  werden  (z.B.  <  10  %),  was  Herstellungskosten  verringert. Andererseits beinhaltet das fertige Produkt keinerlei Schmelzschweißnähte denn die drucktragende Strukturnaht  wird  rein  durch  Diffusionsschweißen  zwischen  konventionell  erzeugten  Festkörpern gebildet.  Die  additiv  aufgetragene  Schicht  dient  in  der  beschriebenen  Konfiguration  lediglich  als Membran zum Abdichten der Fügefläche sowie Druckübertragung beim HIP Prozess. Erste Qualifizierungsergebnisse  der  Prozesskombination  auf  Basis  des MPA‐Verfahrens  zeigen  eine hohe Materialqualität in der Diffusionsschweißnaht und beweisen damit die Eignung der MPA Schicht als  druckübertragende Membran beim Schweißvorgang. Das Potential  der  Technologie  kann durch Kombination  mit  Verfahren  der  Halbzeugherstellung  wie  Umformtechnik  bzw.  Stahlguss  noch gesteigert  werden,  um  die  vorgestellte  Prozesskette  für  verschiedenste  Anwendungen  (z.B.  im Formen‐ oder Anlagenbau sowie Solarthermischen Receivern) wirtschaftlich interessant zu gestalten.    Bild 1. Funktionsweise des Kaltgasspritzens  Bild 2. Prozessschritte und Qualifizierung This work has been carried out within the framework of the EUROfusion Consortium, funded by the European Union via the Euratom Research and Training Programme (Grant Agreement No 101052200 — EUROfusion). Views and opinions expressed are however  those of  the author(s) only and do not necessarily reflect those of the European Union or the European Commission. Neither the European Union nor the European Commission can be held responsible for them. 

Entwicklung hybrider Prozessketten aus additiver und konventioneller Fertigungstechnologie für die Kernfusion

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Entwicklung hybrider Prozessketten aus additiver und konventioneller Fertigungstechnologie für die Kernfusion

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