Additive Manufacturing optimiert Bauteile für maritime Anwendungen

Nicht nur in der Luftfahrt spielt Gewicht eine Rolle. Auch im maritimen Umfeld gibt es Bereiche, bei denen es auf Gewichtseinsparung ankommt. Ein namhafter deutscher Hersteller von konventionell betriebenen U-Booten und Marineschiffen nutzt bereits die Möglichkeiten der Additiven Fertigung um ihre Produkte leistungsfähiger zu machen.

In einem Pilotprojekt unterstützte das thyssenkrupp Marine Systems Team in Zusammenarbeit mit dem thyssenkrupp TechCenter AM den Schiffbauer bei der Evaluierung möglicher Ansatzpunkte für die Additive Fertigung. Am vorliegenden Beispiel eines Ventilblockes konnte anschaulich gezeigt werden, welche Vorteile die Additive Fertigung aufgrund ihrer Geometriefreiheit auch im maritimen Umfeld für das Themenfeld des Leichtbaus bringen kann.

Kundenspezifische Herausforderung

Grundlegende Herausforderungen des Kunden sind neben einer langen Gesamtentwicklungszeit von fünf bis sieben Jahren für ein U-Boot und den hohen Sicherheitsanforderung auch eine sehr lange geplante Einsatzzeit und damit verbundene Ersatzteilverfügbarkeit für eingesetzte Teile. Zudem ist eine hohe Verlässlichkeit von essentieller Bedeutung für den Hersteller, die Werft.

Im vorliegenden Projekt wurde ein Ventilblock daraufhin untersucht, inwieweit eine Funktionsoptimierung unter Zuhilfenahme additiver Fertigungsmethoden erzielt werden kann.

Die Projektanforderungen umfassten sowohl eine Reduzierung des Bauteilgewichtes für den als Vorlage dienenden bestehenden Ventilsteuerblock, als auch eine Verbesserung des Strömungsverhaltens zur Reduzierung der Geräuschbildung. Hinzu kam die Anforderung an eine geringe Permeabilität des eingesetzten Werkstoffes sowie eine Verringerung der Wirkungsverluste im Ventilblock durch eine verbesserte Medienführung.

Lösung von thyssenkrupp

Komplettes Re-Engineering: Um zu einem möglichst guten Ergebnis zu gelangen hat das Engineering-Team in der Planungsphase die im Rahmen eines Workshops erstellte Anforderungsliste und die funktionalen Randbedingungen zugrunde gelegt. In der anschließenden Konzeptionsphase wurde der maximal verfügbare Bauraum als morphologischer Kasten, die erforderlichen Wirk- und Funktionsstrukturen sowie die Anschlusselemente und deren mechanische Randbedingungen angefügt. Aus Funktionsanforderung und Anschlussbedingungen konnten in der Entwurfsphase über eine Strömungssimulation der ideale Leitungsverlauf ermittelt und somit eine Grobgestaltung abgeleitet werden. Diese Rahmenbedingunen in Verbindung mit den zu berücksichtigenden Lasten und Randbedingungen ermöglichen schließlich über eine Topologieoptimierung die Ermittlung einer optimalen Bauteilgestalt, auch Bauteiltopologie genannt. Über Methoden der Flächenglättung und dem Anbringen von Bearbeitungszugaben für das maschinelle Überarbeiten von Funktionsflächen im Rahmen der Endbearbeitung entstand so die endgültige Feingestalt des Ventilsteuerblockes. Für die Geometrieerstellung kamen verschiedene CAD- sowie Finite-Elemente-Softwarepakete zum Einsatz, um durch die Verknüpfung verschiedener Softwaretools einen möglichst optimalen digitalen Entwicklungsprozess abbilden zu können

Insgesamt entstand so mit einem Gesamtzeitaufwand von etwa 600 Stunden Projektarbeit eine komplettes Re-Engineering des Bauteils bei einer Durchlaufzeit von etwa einem Jahr nach den Maßgaben der Richtlinie VDI 2221 "Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte".

Für den eigentlichen Bauprozess setzten die AM-Experten von thyssenkrupp auf Metall-Laserstrahlschmelzen, da die Herstellung der Medienführungen im Ventilsteuerblock im Zielwerkstoff mit diesem Verfahren die besten Ergebnisse erzielt. Anstatt des ursprünglichen GJS - 400 Werkstoffes wurde in der Evaluierungsphase zunächst 1.4404 Werkzeugstahl und für die Endfassung des Bauteils eine 1.3964 (Alloy 50) Chrom-Nickel-Legierung verwendet. Somit konnte das ursprüngliche Bauteilgewicht des Grundkörpers von 13,3 kg auf lediglich 1,1 kg reduziert werden.

Kundennutzen

Nutzen auf mehreren Ebenen für den Serieneinsatz: Die vorrangig erkennbaren Einsparungspotenziale aus einer Gewichtsreduktion der Baugruppe um 83 % sind ein geringerer Materialverbrauch und eine Bauraumreduktion von ca. 20%. Außerdem konnte eine schnellere Lieferverfügbarkeit realisiert werden und das bei Kostenneutralität zum herkömmlich gefertigten Teil. Darüber hinaus ergeben sich eine Reihe zusätzlicher Nutzenaspekte. Durch eine Reduktion der Strömungsgeräusche konnte die akustische Emission deutlich verringert werden. Ebenso gelang eine Verringerung der Permeabilität durch den Einsatz der 1.3964 Chrom- Nickellegierung. Auch konnte durch künftig kürzere Lieferzeiten eine Verringerung des erforderlichen Lagerbestandes erreicht werden. Ein erweitertes Nutzenspektrum ergibt sich dadurch, dass durch ein geringeres Bauteilgewicht die Zuladung des U-Bootes erhöht werden kann. Für den Serieneinsatz werden alle Anforderungen an Material-, Fertigungs- und Produktqualität nach bekannten, z.B. DIN EN 10204-3.2, und neuen Standards, z.B. DNVGL CG-0197, sichergestellt. Damit sind Voraussetzungen geschaffen, die Vorteile der additiven Bauteilgestaltung und -fertigung nach Abschluss einer Zertifizierung auch für andere maritime Anwendungen in der industriellen Serienfertigung zu nutzen.