Additive Manufacturing Mechanische Teile mit integrierten Funktionen mit 3D-Druck herstellen

Autor / Redakteur: L. Kiener, H. Saudan, beide CSEM, D. Bommottet, F. Cochet, beide Ruag / Andreas Leu

CSEM SA hat mit Ruag Space ein neuartiges AM-Design-Konzept entwickelt, das die Entwicklung von mechanischen Teilen mit integrierten elektrischen Kabeln und Anschlüssen ermöglicht. Das Konzept ist bei einer SlipRing-Montage bereits erfolgreich angewandt worden.

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Bilder des ersten Prototyps von AM.
Bilder des ersten Prototyps von AM.
(Bild: Ruag/CSEM SA)

Beim vorliegende Showcase beschreibt das Ergebnis von AMAR, einem Projekt im Zusammenhang mit der Neugestaltung einer Rotor-SlipRing-Montage (SRA-Rotor), basierend auf einem Additive Manufacturing-(AM-)Prozess. Dieses Projekt wurde vom CSEM SA gemeinsam mit der Ruag Space Switzerland mit Hauptsitz in Nyon (RSSN) durchgeführt. AMAR wurde vom Schweizer Raumfahrtbüro (SSO) des SERI im Rahmen des Programms «Mesures de Positionnement» finanziert.

Drastische Reduktion der Bauteile

Das Ziel des Projekts war, die Architektur eines der Hauptprodukte von Ruag Space Switzerland Nyon (RSSN) zu vereinfachen: den Rotorteil der SRA. Dieser besteht aus einer komplexen Anordnung von hochpräzisen mechanischen Teilen und elektrischen Kabeln, die eine Vielzahl von manuellen Montagevorgängen erfordert. Im Rahmen des Projektes wurde eine neue Architektur und Fertigungsreihenfolge auf Basis von AM entwickelt. Mehrere Prototypen wurden erfolgreich hergestellt und hinsichtlich der Leistungskriterien, die sich aus realen Weltraumanwendungen ableiten, validiert. Die daraus resultierende Architektur vermeidet vollständig den Einsatz von elektrischen Kabeln und reduziert die Anzahl der Bauteile drastisch: von mehreren Dutzend auf eine einzige Struktur. Das ursprüngliche Konzept, das die Beseitigung von Kabeln im SRA-Rotor ermöglicht, wurde erweitert, sodass es auf andere elektromechanische Komponenten und Baugruppen angewendet werden kann —mit dem gleichen Potenzial für Kostenreduzierung und Zuverlässigkeitsverbesserung.

Bisher lange Toleranzkette notwendig

SlipRing Montagen (SRAs) sind Durchgangsgeräte, deren Aufgabe es ist, elek­trische Signale von einem stationären Element zu einem rotierenden Element zu übertragen. SRAs werden auf der Erde für eine Vielzahl von Anwendungen wie Videoüberwachung, Werkzeugmaschinen, Bewegungssimulatoren und viele andere eingesetzt. Im Weltraum sind SRAs wiederkehrende Elemente in Satelliten. Die gegenwärtige physikalische Architektur der SRA-Rotoren beruht auf einer sensiblen Fertigungs- und Montagereihenfolge mit vielen Arbeitsgängen. Insbesondere wird jeder leitfähige Ring manuell an ein Kabel gelötet, selbst manuell geführt und mit einer Klemmleiste verbunden. Darüber hinaus bedeutet das Stapeln von leitfähigen und isolierenden Ringen eine lange Toleranzkette, die es zwingend erforderlich macht, für jedes Bauteil eine hohe Massgenauigkeit zu erreichen.

12 implementierte elektrische Kanäle

Die neue Architektur und Fertigungs­sequenz besteht aus einer monolithischen Struktur aus Aluminium, die mit SLM hergestellt wurde, zu deren wesentlichen Bestandteilen leitfähige Ringe, elektrische Drähte und «Opferbrücken» gehören. Diese Elemente sind alle mit einer «Opferschale» verbunden, die gleichzeitig als Form dient und es ermöglicht, das Innenvolumen mit einem Kunstharz auszugiessen. Sobald das Harz ausgehärtet ist, fungiert es als isolierende Barriere zwischen den einzelnen Ringen und verleiht den elektrischen Drähten mechanische Stabilität. Die Schale und die Brücken (daher «Opfer») werden dann entfernt, wodurch der Rotor seine endgültige Form und Funktionalität erhält. In Anbetracht der Anzahl von 12 implementierten elektrischen Kanälen umfasst die neue Architektur nur eine SLM-gefertigte Struktur anstelle von mehr als 30 hochpräzisen Komponenten, die normalerweise benötigt werden.

Spezifische Eigenentwicklungen zur Beherrschung der gesamten AM-Kette

Die Entwicklung von Produkten aus dem Bereich der metallischen Additivherstellung (AM) wurde beim CSEM über mehrere Jahre hinweg untersucht, um die neuen Möglichkeiten der AM-Technologien sowohl für neu entwickelte als auch für überarbeitete Produkte mit verbesserten Leistungen zu nutzen. Der erste Schritt bestand darin, alle Prozesse zu evaluieren und zu optimieren, um die Machbarkeit komplexer Teile sicherzustellen, darunter 350 µm dicke und 20 mm lange Biegemesser, die mit AM hergestellt wurden, einer typischen Geometrie, die bei CSEM für die Konstruktion von Hochpräzisionsmechanismen verwendet wird. Um solche anspruchsvollen Geometrien zu erreichen, mussten die kritischen Parameter des AM-Prozesses und der Nachbearbeitung, welche die Qualität des Endprodukts beeinflussen, identifiziert, eingehend untersucht und verstanden werden.

Dieser Studie folgten spezifische Eigenentwicklungen zur Beherrschung der gesamten AM-Kette, beginnend mit dem Design für AM unter Berücksichtigung der neuen Randbedingungen dieser Technologie bis zur Optimierung von Edelstahl- und Titanwerkstoffen, die hochwertige mechanische Leistungen erfüllen. Die Nachbearbeitungen wie Bearbeitung, Reinigung und Wärmebehandlung wurden zudem umfassend untersucht. Parallel dazu wurde die Topologieoptimierung für komplexe Strukturbauteile untersucht, um eine möglichst effiziente Auslegung unter Berücksichtigung multiphysikalischer Aspekte zu gewährleisten.

Vorteile von AM nutzen

Die Reproduktion eines Bauteils, dessen Konstruktion durch eine konventionelle Fertigungstechnik angetrieben wurde, ist oft nicht vorteilhaft, da sie die Vorteile von AM nicht berücksichtigt. Beispielsweise kann die Komplexität der Baugruppe reduziert werden, indem ein monolithischer Mechanismus entworfen oder die Anzahl der Teile reduziert und die Funktionen kombiniert werden. Das Projekt AMAR ist ein Beispiel für einen deutlich verbesserten Produktionsprozess, der durch eine intelligente Kombination von AM- und Nachbearbeitungstechniken ermöglicht wird.

Das neue, in AMAR entwickelte Design schlägt vor, von AM ein Skelett herzu­stellen, das alle Merkmale enthält, es mit isolierendem Harz zu giessen und die endgültige Form des Rotors zu bearbeiten. Im Vergleich dazu ist das hoch­moderne Produktionsverfahren langwierig, da viele bearbeitete Teile mit engen Toleranzen in vielen aufeinanderfolgenden Schritten montiert werden müssen.

Um ein optimiertes Re-Design für AM zu gewährleisten, ermöglicht ein systemtechnischer Ansatz das Verständnis aller Parameter des Mechanismus und damit die Kenntnis aller wesentlichen Anforderungen, die in der Entwurfsphase zu berücksichtigen sind. Parallel dazu sind auch die mit AM verbundenen Gestaltungszwänge zu verstehen. Um das Design weiter zu verbessern, ist der Einsatz der Topologie-­Optimierungs-Software die effizienteste Methode. Damit können verschiedene Eigenschaften der für AM ausgelegten Teile gleichzeitig verbessert werden: z. B. Gewichtsreduktion, Eigenfrequenzabstimmung, Thermotransferoptimierung, Dünnwanddickenoptimierung.

csem.ch

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