Vom Pulver zur Leistung

AM-Wärmetauscher für Luft- und Raumfahrtanwendungen

Wärmetauscher sind kritische Teile für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Das traditionell hergestellte Teil besteht aus gelöteten und geschweißten Lamellenbaugruppen, die zu bekannten Dicken und Rauheiten für die Qualitätsabteilungen führen. Als Raytheon Technologies erkundete, die additive Fertigung als Ersatz für vorhandene Lüfterkanal-Wärmetauscher einzusetzen, stand der multinationale Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungshersteller vor einigen Herausforderungen.

Während AM monolithische Teile herstellen kann, die die Produktion vereinfachen und das Volumen reduzieren, können die unterschiedlichen Dicken und Rauheiten der dünnen Wände den Geschäftsvorteil AM-gefertigter Teile beeinträchtigen. Und die betreffenden Oberflächen sind für die Inspektion nicht sichtbar und die Rauheit ändert sich je nach Ausrichtung des Aufbaus. Um zu nicht-traditionellen, durch AM ermöglichten Designs überzugehen, musste Raytheon zunächst nachweisen, dass das Verfahren glatte Innenwände einer bestimmten Dicke erzeugen kann.

Wie könnte Raytheon die für AM-Teile erforderliche Datenvollständigkeit und -qualität erreichen? Die Zeiss Group lieferte die Lösung mit industrieller Computertomographie und Röntgenmikroskopie-Bildgebung, um die inneren Merkmale eines AlSi10Mg-Wärmetauschers zerstörungsfrei zu prüfen.

AlSi10Mg ist eine Aluminiumlegierung, die Silizium und Magnesium als Legierungselemente kombiniert. Das Ergebnis der Kombination sind Leichtbauteile, die deutlich fester und härter sind als andere Aluminiumlegierungen. Diese Zähigkeit macht AlSi10Mg ideal für die Herstellung von Luft- und Raumfahrtteilen.

Raytheon führte mit einem METROTOM-Röntgen-CT-System von Zeiss einen Übersichtsscan des Wärmetauschers mit 60 µm pro Voxel durch, um die Wandstärke und Lücken oder Risse in den dünnen Wänden zu überprüfen. Um den ROI weiter zu verbessern, wurden an der Ober- und Unterseite des Teils Scans mit höherer Auflösung bei 15 µm pro Voxel und 3 µm pro Voxel auf einem Zeiss Xradia Versa 620 durchgeführt. Die Scans mit höherer Auflösung überprüften die Wandstärke und ermöglichten die Oberflächenrauheit gemessen werden.

Sobald die zerstörungsfreien Inspektionsscans abgeschlossen waren, wurde der 3D-gedruckte Ventilatorkanal-Wärmetauscher zerschnitten, um die gleichen Oberflächen für die konfokale Konformationsmikroskopie der passenden oberen Oberfläche (obere Haut) und der überhängenden Oberfläche (untere Haut) freizulegen. Diese Inspektion des ausgegrabenen Abschnitts dient als grundlegende Daten für diese Studie.

Sobald die Röntgen-CT-Scandaten ausgerichtet sind, wurden passende Oberflächen für die Oberflächenrauheitsanalyse extrahiert. Die Ergebnisse wurden mit einem ähnlichen extrahierten Bereich verglichen, der mit konfokaler Mikroskopie abgebildet wurde. Auf der glatteren Oberhautoberfläche stimmten der arithmetische Mittelwert (Sa) und der niedrigste Talwert (Sv) gut überein. Um jedoch die höchsten Peaks (Sp) zu erfassen, ist eine Voxelgröße von 15 µm oder weniger erforderlich, um der Analyse mit dem konfokalen Mikroskop zu entsprechen. Diese Diskrepanz tritt auf, weil die Oberfläche aus glatten, überlappenden Schmelzbadspuren besteht, die beim letzten Durchgang auf der Oberfläche zurückbleiben, und gelegentlichen gesinterten Pulverpartikeln, die die höchsten Spitzen bilden.

Wenn die Voxelgröße größer als die erwartete Pulvergrößenverteilung ist, kann man sich nicht darauf verlassen, dass die Analyse die pulvergroßen Peaks erkennt. Auf den Down-Skin-Oberflächen steigen die Sa- und Sv-Werte wie für AM-Überhangoberflächen erwartet. Diese Oberflächen enthalten große Pulverkonglomerate und einzelne Pulverpartikel, was zu sehr unregelmäßigen Oberflächen mit großen Spitzen und Tälern führt.

AM kann zur Herstellung von Ventilatorkanal-Wärmetauschern verwendet werden, wenn die Bauausrichtung berücksichtigt wird. Die Parameter müssen auch für die überhängende dünne Wand optimiert werden, die zum Polieren nicht abgestützt oder zugänglich ist. CT in Kombination mit XRM ist ein leistungsstarkes Werkzeug, um während der Parameterentwicklung Feedback zu erhalten und die endgültigen Teile zu prüfen.

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