21. FEBRUAR 2019
Fall: 3D-Druck vom Impeller
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Additive Solutions wurde von Firma Intas Power Systems (IPS) beauftragt, einen Impeller aus rostfreier Legierung für eine experimentelle Hochdruck-Flüssigkeitspumpe herzustellen.

Für Herstellung eines Impellers im klassischen Fertigungsverfahren wird eine hochpräzise teure 4- oder 5-Achs-Fräsmaschine mit CNC-Steuerung benötigt. Es ist auch möglich, durch Gießverfahren zu produzieren, aber kostet teuer und nimmt viel Zeit in Anspruch, weil erst eine Eingußform herzustellen ist. Aus diesem Grund wurde 3D-Metalldruck ausgewählt.

Auf dem Foto unten sehen wir den Impeller bereits auf der Welle, vor und nach dem Sandstrahlen und nach dem leichten Schleifen. Das gedruckte Erzeugnis erforderte nur eine geringe Nachbearbeitung in einer Sandstrahlkammer, um Unebenheiten nach dem Drucken zu beseitigen, und Bearbeitung mit einer Schleifmaschine. Das heißt ein Minimum an Endbearbeitungsvorgängen.
Der Impeller auf der Welle vor und nach dem Sandstrahlen und leichtem Schleifen

Auswuchtung

Darauf folgte das komplizierteste Verfahren – das Auswuchten des Impellers. Weil die Umdrehungen im Arbeitsbereich der Pumpe zwischen 6.000 und 10.000 U/min liegen, sind Schwebungen nicht zulässig. Das Auswuchten ergab eine leichte Nichtausgeglichenheit im Bereich von 0,23 bis 0,7 g pro Flügel. Dabei liegt dieser Parameter sehr nah zu einem ähnlichen Produkt, das mit 4, 5-Achsen-Koordinatenbearbeitungsanlage mit CNC-Steuerung gefertigt wurde. Das Auswuchten erfolgte durch Bohrungen am Impeller stirnseitig im Massiv neben der Öffnung für die Welle. Der Impeller wurde bis zum Punkt Null-Schwebungen ausgewuchtet.

Tests

Die Versuche an der bereits zusammengebauten Pumpe bewiesen die volle Funktionalität des gedruckten Impellers – die Betriebsdaten waren den von dem Impeller gleich, der auf einer CNC-Fräsmaschine aus einer Massivbarre gefertigt wurde. Während der Tests unter Belastung hielt der Impeller wie normale Arbeitsumdrehungen, als auch die bis zu erhöhten 14.500 Umdrehungen pro Minute stand. Keine Zerstörungen und Formänderungen sind nach einigen Tagen der Arbeit am Prüfstand nachgewiesen.

Nach Ablauf der Teststunden wurde der Impeller untersucht. Keine Anzeichen von Kavitationsschäden wurden festgestellt. Die Tests wurden in verschiedenen Modi durchgeführt, wobei verschiedene Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Viskosität und Dichte durchgepumpt wurden. Beim Pumpen aggressiver Flüssigkeiten (Wasser mit einer hohen Salz- und Sodakonzentration) wurden keine Merkmale eines aggressiven Einflusses auf die Legierung selbst festgestellt.
Schlussfolgerungen zum 3D-Metalldruck:

  1. Es ist sehr praktisch für F & E: eine gute Lösung bei der Herstellung von Versuchsmuster für Teilstücke und Einbaugehäuse.
  2. Geeignet, falls schnell eine kleine Versuchsserie der Erzeugnisse herzustellen ist.
  3. Nach dem erzielten Endergebnis kommt das Produkt dem mit einer CNC-Fräsmaschine gefertigtem Erzeugnis nahe.
  4. Der 3D-Metalldruck bei Versuchsserien und Einzelteilen ist rentabler als das Pulvergießen (billiger, schneller), weil keine Zwischenstufe erforderlich ist – die Herstellung einer Eingußform.
  5. Der 3D-Druck verliert selbstkostenmäßig nur im Vergleich zu Fertigung mit hochpräziser 4, 5-Koordinaten-Fräsmaschinen, sofern diese beim Kunden vorhanden sind. Mit einem 3D-Drucker können jedoch Teile mit Hohlräumen und Kanälen komplexer Form hergestellt werden, die mit einer Fräsmaschine nicht machbar sind.
Gutachten von Fa. IPS
Aktualisierung:

Einige Monate später ist das Feedback von IPS zur ersten Iteration des Impellers angekommen:
Übrigens, hat einer der vorigen 4-Flügel-Impeller 70 mm Ihrer Produktion bei Betriebslebensdauerprüfung auf Testanlage mehr als 3500 Stunden lang durchgearbeitet, dabei in verschiedenen Modi, auch unter 2- und 3-facher Überlastung und mit maximalen zulässigen Umdrehungen von 19500 U/min.

RESPEKT - soweit keine Kavitationsschäden und mechanische Zerstörungen festgestellt.

Eine weitere Information, die für Sie nützlich sein könnte - ähnliche Impeller wurden zum Vergleich durch Gießverfahren (in einer Form) und mit Fräsmaschine gefertigt.

Der Impeller Ihrer Produktion und der ausgefräste funktionieren normal, der gegossene begann sich bei 3-facher Belastung teilweise mechanisch zu zerstören. Unsere Techniker sind der Meinung, der Hauptgrund dafür sei, dass beim Gießen häufig innere Kaverne im Erzeugnis (Hohlräume) auftreten, was keine ausreichende Festigkeit beim Produkt zur Folge hat.

Dies gilt hauptsächlich für das Gießen in die Form gewöhnlicherweise (kein Pulvergießen und nicht in einer Zentrifuge, hier kommen die Hohlräume selten vor). Es gibt noch das Gießen im Vakuum, da sieht man auch solche Probleme nicht oft.

Man kann sagen, dass die 3D-Metalldrucktechnologie die Vorteile gegenüber dem Standardguss in Formen gerade darin hat, dass keine Gefahr von Hohlraumbildung im Körper des Teils besteht und das Teilstück eine gleichartigere Materialstruktur aufweist.
Vladislav Savin, stellvertretender Direktor für technische Fragen, Intas GmbH
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