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Schnell rotierendes Pumpenbauteil erfolgreich getestet



  • Mit dem erfolgreichen Abschluss einer Testkampagne zur Qualifikation eines Pumpenbauteils, dem sog. Impeller, erreicht das DLR einen Meilenstein in seinem nachhaltigen Aufbau von Kompetenz im Bereich der Turbomaschinen in Raketenantrieben.
     
  • Die Impeller sind von der Gruppe Material und Design im Institut für Werkstoff-Forschung des DLR in Köln durch Selective Laser Melting (SLM), einer Additive Layer Manufacturing (ALM) Technologie hergestellt worden. Das Besondere bei dem Herstellungsverfahren ist, dass der Impeller inklusive einer sogenannten Deckscheibe in einem Teil und ohne innere Stützstrukturen im 3D-Druck erzeugt wurde.
     
  • Eine Vorserie von vier Impellern wurde mehrmals oberhalb einer kritischen Drehzahl von 160 000 U/min getestet und vermessen. Dabei wurde die Konstruktion und das Fertigungsverfahren der Impeller für eine Verwendung in einem Demonstrator für ein Flüssigkeitsoberstufentriebwerk (LUMEN), das im Institut für Raumfahrtantriebe beim DLR in Lampoldshausen entwickelt wird, qualifiziert.
     
  • Vor der Testkampagne wurde durch die Gruppe Strukturen im Institut für Raumfahrtantrieb eine Festigkeitsanalyse durchgeführt. Die Testergebnisse der Struktur aus gedrucktem Titan-6 Aluminium-4 Vanadium übertrafen die erwarteten Festigkeitswerte des Impellers deutlich. Bei einer kritischen Drehzahl, bei der das Risiko einer Deformation und eines möglichen Bruchs des Impellers stark ansteigt, traten keine bleibenden Deformationen auf und der Impeller überstand alle Tests unbeschadet.
     
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Technologieentwicklung

 

 3D-gedruckter Titan-6 Aluminium-4 Vanadium-Impeller in der Schleudertestvorrichtung
zum Bild 3D-gedruckter Titan-6 Aluminium-4 Vanadium-Impeller in der Schleudertestvorrichtung

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

 Schaufelkanal im Inneren eines Impellers
zum Bild Schaufelkanal im Inneren eines Impellers

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.

 Impeller mit Deckscheibe aus Ti-6Al-4V
zum Bild Impeller mit Deckscheibe aus Ti-6Al-4V

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.


Kontakt
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Raumfahrtantriebe
, Turbomaschinen
Hardthausen

Tel.: +49 6298 28-369

Fax: +49 6298 28-458

Dr. Katia Artzt
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Hybride Werkstoffe und Intermetallics
Köln

Tel.: +49 2203 601-3293

Dr. Jan Haubrich
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Werkstoff-Forschung
, Metallische Strukturen und hybride Werkstoffsysteme
Köln

Tel.: +49 2203 601-3365

Anja Kaboth
Politikbeziehungen und Kommunikation, Standort Lampoldshausen

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Hardthausen

Tel.: +49 6298 28-201

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