SLM Fertigung von Brennkammer-Kühlungsstrukturen aus Inconel 718

Kurzfassung

Selektives Laserschmelzen (SLM) ermöglicht es, Designvorteile in Bezug auf neuartige Kühlkonzepte in Triebwerksbrennkammern fertigungstechnisch zu realisieren und so die Effizienz zu steigern oder Emissionen im Flugbetrieb zu reduzieren. Das SLM Verfahren ist geeignet, um geometrisch komplexe Bauteile wie eine Brennkammer direkt aus einem CAD-Modell mit hoher Präzision herzustellen. Dies erfordert jedoch einen hohen Grad an Prozesskontrolle und ein genaues Wissen um den dabei entstehenden Werkstoff und seine Oberflächengüten. Mit dem Ziel der späteren Untersuchung neuer, nur durch SLM umsetzbarer Kühlkonzepte in einer Brennkammer werden umfangreiche SLM-Prozessoptimierungs-Studien der Volumen- und die Konturbereiche mit Inconel 718 durchgeführt. Zunächst liegt der Schwerpunkt auf der Identifikation eines zugleich Materialdichte- und Bauraten-optimierten Prozessfensters, um innere Defekte zu reduzieren. Dies wird durch Mikrostruktur- und werkstoffmechanische Untersuchungen begleitet. In einen zweiten Schritt wird durch Anpassung der Konturstrategie als Funktion der Bauwinkel die äußere Rauheit und Welligkeit reduziert, um für endkonturnahe Oberflächen eine möglichst hohe Güte zu erzielen. Die Eigenschaften von inneren Kanalstrukturen wurden in Abhängigkeit von der Bauorientierung (0°, 25°, 45° und 90°) an Modellproben tomographisch untersucht. Da besonders liegende, dünne Kanäle aufgrund von Einschmelzen kaum zu fertigen sind, wurde eine spezielle Tropfenform entwickelt und vergleichend zu runden Kanalgeometrien auf Geometrietreue (Kanaldurchmesser, Rundheit und Krümmungsverteilung) hin untersucht. Die tomographische Analyse der Kanalstrukturen ermöglichte es, die Oberflächenbeschaffenheit in der SLM Fertigung zu optimieren, sodass in einem nächsten Schritt spezielle Kühlungselemente gefertigt und untersucht werden können.