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Nuklearenergie Temperaturbeständige Halterungen aus dem 3D-Drucker

| Redakteur: Joscha Riemann

Lösungen für die Kernenergie müssen höchsten Anforderungen genügen, denn die gefährliche Umgebung wirkt mit hohen Temperaturen auf Fertigungsteile ein. Vor allem bei Schweißnähten kann dies zu Materialfehlern führen.

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Aufgrund der hohen Temperaturen und der rigiden Sicherheitsanforderungen, stellt die Kernenergie besonder hohe Anforderungen an Bauteile.
Aufgrund der hohen Temperaturen und der rigiden Sicherheitsanforderungen, stellt die Kernenergie besonder hohe Anforderungen an Bauteile.
(Bild: pixabay // gemeinfrei)

Das Team im Forschungszentrum für moderne Fertigungstechnik in der zivilen Kernenergie (Nuclear AMRC) in Sheffield, Nordengland, entwickelt Lösungen für diese Gefahrenbereiche. Das Zentrum ist ein gemeinsames Projekt von Hochschulen und Industrievertretern aus der gesamten Kernenergie-Lieferkette.

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Die aktuelle Herausforderung war die Entwicklung eines Schweißroboters, der Druckbehälter für den Kernenergie-Bereich schweißt. Im Rahmen der Entwicklung musste das Team mehrere Sensoren integrieren, die einer gefährlichen Umgebung standhalten können.

Das Team setzte dazu auf 3D-Druck, um schnell verschiedene Designs zu iterieren und dutzende Teile zu fertigen, die hohen Temperaturen an der Schweißnaht widerstehen.

Schweißen in der Kernindustrie – Ein langer Prozess

Aktuelle Methoden zum Schweißen von Druckbehältern erfordern häufige Haltepunkte für die manuelle Inspektion; dies erfordert ein mehrfaches Abkühlen und Erhitzen von Komponenten – ein zeitaufwändiger Prozess. Einen großen Behälter zu schweißen kann Monate dauern. Das Projekt des Nuclear AMRC soll diese Durchlaufzeit reduzieren: ein Robotersystem soll Fehler im laufenden Prozess erkennen; so müsste der Schweißvorgang nur angehalten werden, wenn tatsächlich ein Fehler auftritt.

Um den Schweißprozess in Echtzeit zu analysieren, integrieren die Forscher mehrere unterschiedliche Sensoren in ihr Konzept – etwa Laserscanner, akustische Überwachung, Prozessüberwachung von Spannung und Stromstärke, Wärmebildgebung sowie ein Kamerasystem.

Die mechanische Integration all dieser verschiedenen Sensoren ist eine Herausforderung. Es gilt, verschiedene Anordnungen und Ausrichtungen zu testen, um die optimale Position der Sensoren zu ermitteln. Auch in Leichtbauteile aus Kunststoff werden zunehmend intelligente Sensoren eingebaut. Zugleich müssen die Forscher sehr flexibel darin sein, wie sie testen und wie sie mit der Ausrüstung umgehen – denn die Arbeitszeit mit der Maschine ist extrem teuer.

Schnelle Iteration von Sensorkonfigurationen und Montagestrategien mit 3D-Druck

Die aktuelle Sensoranordnung enthält etwa ein Dutzend verschiedene 3D-gedruckte Teile. In erster Linie sind das Unterlegscheiben, die Klammern zusammenhalten, sowie ein Halterungssystem für die Mikrofone. All diese Teile müssen den hohen Temperaturen in unmittelbarer Nähe zur Schweißnaht widerstehen.

Die Fertigung der Teile mit dem 3D-Drucker gibt dem Team mehr Freiheit für Trial and Error – bei der herkömmlichen Herstellung müssten Anforderungen und Toleranzen präzise vorher festgelegt werden, der Designprozess wäre deutlich rigider und anstrengender. Dank 3D-Druck produziert das Team mehrere Versionen mit unterschiedlichen Toleranzen, Ausrichtungen und Größen. So lässt sich innovativer und schneller testen.

Im klassischen Prozess verbringen Tester ganze Tage damit, Papierkram zu erledigen, das Material zu bestimmen, Designs zu entwickeln und externe Unternehmen mit der Produktion zu beauftragen – alles wertvolle Zeit, die von der eigentlichen Ingenieurs-Zeit abgeht. Mit dem eigenen 3D-Drucker investiert das Team nur ein paar Stunden mit einem CAD-Programm und etwas Kunststoff.

Das benutzte High Temp Resin weist eine Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) von 238°C bei 0,45 MPa auf, wodurch es sich ideal für Teile eignet, bei denen eine hohe Temperaturbeständigkeit ein Muss ist. Das Ergebnis sind ein deutlich flexibleres Testmanagement und erhebliche Zeit- sowie Kosteneinsparungen, durch die schnelle Testung verschiedener Sensorkonfigurationen und Montagestrategien.

Forscher profitieren von 3D-Druckern vor Ort

Zuständig für die Fertigung innerhalb des AMRC Forschungszentrums ist die „Design and Prototyping Group“. Die Gruppe hat kürzlich eine neue additive Fertigungsstation mit einer Flotte von 12 Formlabs Stereolithografie (SLA) 3D-Druckern installiert, die allen Ingenieuren am Standort freien Zugang zum 3D-Druck bietet.

Das enge Zusammenspiel zwischen Fertigungsgruppe und Forschern ist wichtig. Die Fertigungs-Experten zeigen dem Forschungsteam, was in Sachen Ausrüstung machbar ist, welche Ressourcen und Resins zur Verfügung stehen und wie man das Design optimieren kann, um es schnell mit dem 3D-Drucker zu produzieren. Dieser Zugang und das Wissen um die Fähigkeiten ist für die Nutzung in der Forschungsgruppe unabdingbar.

Die dadurch gewonnene Agilität zeigt sich darin, dass die Forscher deutlich mehr testen und iterieren können. Im klassischen Verfahren wird ein Design zur Fertigung geschickt, man wartet und testet, und sollte es ungeeignet gewesen sein, wiederholt man den gesamten Prozess. Vom Test eines Prototypen zum nächsten vergehen Wochen. Mit 3D-Druck ist das eine Sache von zwei Tagen. Die Innovationsgeschwindigkeit lässt sich nicht quantifizieren.

Zusammenfassung

  • Der Flexible Aufbau von 3D-gedruckten Halterungen macht es einfacher eine vielzahl von Sensoren zu integrieren.
  • Additive Design- und Konstruktionsprozesse beschleunigen die Herstellung von Bauteilen.
  • Die Anwendung von 3D-Druck in sensiblen Bereichen (Kernenergie) hängt vom verwendbaren Material und der Druckqualität ab.

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