Seit 2013 betreibt das Institut für Raumfahrtantriebe des DLR einen nachhaltigen Kompetenzaufbau auf dem Gebiet der Turbomaschinen in Raketenantrieben. Die Turbomaschinen (Pumpen und Turbinen) sind unabdingbare Komponenten eines effizienten Flüssigkeitstriebwerks. Sie fördern den Treibstoff und erzeugen einen hohen Brennkammerdruck – beides wird durch ein schnellrotierendes Pumpenlaufrad, den sogenannten Impeller, erreicht. Da für den Orbitaltransport nicht auf ein Flüssigkeitstriebwerk verzichtet werden kann und die Treibstoffförderung mit Pumpen diese Triebwerke effizienter macht, ist das entwickelte Fertigungsverfahren gleichzeitig ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Technologie von Oberstufen.
Im Rahmen des Kompetenzaufbaus wurden nationale und internationale Kooperationen sowie interne Projekte begonnen. In einem von der Programmatik Raumfahrtforschung und Technologie des DLR finanzierten Projekt wurden seit 2015 verschiedene Schlüsselbauteile der Flüssigkeitsantriebe im Laserschmelzverfahren von mehreren DLR-Instituten entwickelt, gefertigt und getestet. Dem Pumpenimpeller als Hauptkomponente im Treibstofffördersystem des Raketenantriebs galt dabei ein besonderes Augenmerk. Vom Design in der Gruppe Turbomaschinen in Raketenantrieben über Kooperationen mit anderen DLR-Abteilungen und Instituten und externen Servicefirmen wurde der Impeller bis zur erfolgreichen Qualifikation entwickelt. Das Projekt lieferte Antworten auf die Fragen, wie sich dynamische Kräfte auf das gedruckte Bauteil auswirken, wie sich Titan als Werkstoff bei dieser Verwendung bewährt und ob das Material und der Herstellungsprozess für schnell rotierende Bauteile geeignet sind. In dem Projekt wurde auch ein spezielles Druckverfahren entwickelt, um die inneren Kanäle des Impellers ohne Stützstrukturen zu drucken. Diese Erkenntnisse, insbesondere das Drucken ohne innere Stützstrukturen sind sehr wertvoll für die Weiterentwicklung diverser anderer Bauteile im 3D-Metalldruck.
3D-Metalldruck für rotierende Bauteile
Der 3D-Druck im Pulverbett mit dem SLM-Verfahren bietet herausragende Vorteile bei der Fertigung von Bauteilen mit inneren Kanälen und Hohlräumen. Der mit einer Deckscheibe geschlossene Pumpenimpeller mit seinen inneren Strömungskanälen war daher ein ideales Entwicklungsobjekt für diese Fertigungsverfahren. Die besondere Herausforderung war in diesem Fall das Drucken des Bauteils ohne innere Stützstrukturen, die normalerweise unumgänglich sind, um eine exakte Geometrie zu erreichen. Hierzu wurden verschiedene Fertigungsstrategien mit unterschiedlichen Bauorientierungen und Stützstrukturstrategien, verschiedenes Post-Processing und die Materialeigenschaften untersucht. Als Werkstoff wurde bei der Fertigung Titan-6 Aluminium-4 Vanadium gewählt, das für rotierende Bauteile sehr gut geeignet ist, da es im Verhältnis zum Gewicht eine hohe Festigkeit bietet und daher hohe Drehzahlen im Verhältnis zur Baugröße erreicht werden können. Die Erfahrung mit 3D-gedrucktem Titan sind in der Pumpentechnologie noch nicht weit verbreitet und konnten in diesem Projekt erfolgreich ausgebaut werden.
Schleudertest belegen hohe Festigkeit
Im Auftrag des DLR führte die Firma Schenck-RoTec Unwuchtmessungen und Schleuderversuche mit Titan-Impellern durch, bei denen während des Testlaufs Deformationsmessungen an den Impellern möglich sind.
Für die vorangegangene Strukturanalyse, wurden die Materialparameter durch uniaxiale Vorversuche ermittelt; sie ließ eine Bruchdrehzahl von 160 000 U/min erwarten. Nachdem das Bauteil aus gedrucktem Titan mehrfach oberhalb dieser Drehzahl geschleudert worden ist, kann festgehalten werden, dass mit SLM gedrucktes Titan-6 Aluminium-4 Vanadium sehr gut für schnell rotierende Bauteile geeignet ist und dass auch Impeller mit Deckscheiben integral, ohne innere Stützstrukturen gedruckt werden können.