Formnext 2021: Fraunhofer IPT, FH Aachen und Präwest stellen neues Wasserstoff-Brennkammer-Design im 3D-Druck her
Wasserstoff wird zu einem immer wichtigeren Energieträger gegen den
Klimawandel. Die Wasserstoffverbrennung setzt zwar kein Kohlendioxid frei,
doch was kaum jemand weiß: Es entstehen mehr Stickoxide (NOx) als bei der
Verbrennung fossiler Brennstoffe. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt
haben die FH Aachen, das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie
IPT und die Präwest Präzisionswerkstätten GmbH & Co. KG mit einem
additiven Fertigungsverfahren eine Wasserstoff-Brennkammer in neuem Design
hergestellt, das den Ausstoß von Stickoxiden deutlich senken kann. Diesen
Prototypen stellen die Partner nun auf der Formnext vor, der Fachmesse für
additive Fertigung und industriellen 3D-Druck.
Das Design der Wasserstoff-Brennkammer, die die Partner auf der Messe
zeigen, unterstützt das MicroMix-Brennverfahren (MMX), entwickelt von
Prof. Dr. Harald Funke am Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik der FH
Aachen, das im Oktober mit dem Forschungspreis 2021 der FH Aachen
ausgezeichnet wurde. Dieses Verfahren setzt im Vergleich zu herkömmlichen
Verbrennungsprozessen mit einigen großen Flammen auf eine Vielzahl
kleinerer Flammen. Die MMX-Brennkammer ist so konzipiert, dass das Gas
sich optimal mit der zugeführten Luft vermischt und mit geringerer NOx-
Bildung verbrennt. Ein weiterer Vorteil der kleinen Flammen in der Kammer
ist die höhere Sicherheit gegen Flammenrückschlag, sodass solche
Brennkammern in entsprechender Skalierung nicht nur für stationäre
Gasturbinen sondern auch für Anwendungen in der Luftfahrt geeignet sind.
Die Fertigung von MMX-Brennkammern ist jedoch technisch sehr
anspruchsvoll, denn die Fertigungstoleranzen sind gering: Der Betrieb
einer solchen Brennkammer mit dem flüchtigen Wasserstoffgas erfordert es,
dass das System dauerhaft dicht bleibt. Außerdem müssen alle
Funktionselemente im Inneren der Kammer, wie etwa die Luftleitbleche,
präzise zueinander ausgerichtet sein, um das gewünschte Strömungsverhalten
der zu- und abgeführten Gase zu gewährleisten. Eine Fertigung allein durch
subtraktive Fertigungsverfahren wie Fräsen und Bohren würde solche
Bauteile jedoch sehr kostspielig machen. Daher wählten die Projektpartner
ein additives Verfahren zum Aufbau ihres Prototypen: Laser Powder Bed
Fusion (LPBF).
LPBF: Metallischer 3D-Druck für komplexe Bauteile
LPBF ist ein bekanntes additives Fertigungsverfahren, mit dem die
Brennkammer aus einem Metallpulver aufgebaut werden kann. Dabei wird durch
einen Mikroschweißprozess in einem Pulverbett die Querschnittfläche des
Bauteils schichtweise aufgeschmolzen. Durch extrem dünne Schichtstärken
gelingt es, die komplexe Bauteilgeometrie in einer hohen Auflösung
herzustellen, in der viele Funktionselemente im Inneren der Brennkammer
bereits angelegt sind. Das reduziert den Aufwand zur Nachbearbeitung
deutlich.
Nach der additiven Fertigung der Brennkammer und dem Abtrennen der
Plattform, auf der sie aufgebaut wurde, sind nur noch wenige subtraktive
Nachbearbeitungsschritte durch Fräsen und Bohren erforderlich: So werden
etwa die filigranen, beweglichen Luftleitbleche in einem Fräsprozess
hergestellt und die Bohrungen für den Wasserstoffaustritt nachträglich
hinzugefügt. In der Kombination der einzelnen Fertigungsschritte gelingt
es den drei Partnern, die Schwächen der bisher bestehenden Verfahren zu
kompensieren und die Einzelprozesse zu einer synergetischen Prozesskette
zu verbinden.
Additiver Aufbau der MMX-Brennkammer verspricht bis zu 90 Prozent
Kosteneinsparung in der Fertigung
Das MMX-Konzept hat sich im Testbetrieb bereits bewährt. Auf der Grundlage
von Simulationen prognostizieren die Aachener Forscher zudem, dass der
Einsatz von LPBF den Zeitaufwand der Montage deutlich verringern und die
Kosten einer solchen Brennkammer bis zu 90 Prozent reduzieren kann. Neben
den ökologischen und ökonomischen Vorteilen, die die neue
Brennkammertechnologie ohnehin bietet, werden durch das LPBF-Verfahren
auch die Fertigungsprozesse nachhaltiger und erfordern einen geringeren
Ressourceneinsatz als die konventionelle Herstellung aus
Einzelkomponenten, die aufwändig und unter vergleichsweise hohem
Materialverbrauch zusammengefügt werden müssen.
Einen ersten funktionsfähigen Prototypen der MMX-Brennkammer sowie
verschiedene weitere Bauteile, die mit dem LPBF-Verfahren und durch
»Express Wire Coil Cladding«, ein Verfahren des drahtbasierten
Laserauftragschweißens hergestellt wurden, zeigt das Fraunhofer IPT vom
16. bis 19. November auf der Formnext in Frankfurt am Gemeinschaftsstand
der Fraunhofer-Gesellschaft in Halle 12, Stand D41.
Projektpartner
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
- FH Aachen – University of Applied Sciences, Aachen
- Präwest Präzisionswerkstätten Dr.-Ing. Heinz-Rudolf Jung GmbH & Co. KG,
Bremen
