MATERIALFORSCHUNG IM WELTRAUM FÜR TECHNOLOGISCHE SPITZENLEISTUNG

Transkript

1 MATERIALFORSCHUNG IM WELTRAUM FÜR TECHNOLOGISCHE SPITZENLEISTUNG

2 Forschung im Weltraum für technologische Spitzenleistung Halbzeug Guss / Gießen Löten / Schweißen Neue Materialien / Verfahren

3 Forschung im Weltraum für technologische Spitzenleistung T= C Turbinenschaufeln aus Titanaluminiden TiAl it s here to stay leichter als Ni-Basis oxidationsbeständig qualifiziert für Einsatz Entwicklungsprogramme mit TiAl-Schaufeln bei allen großen Triebwerksherstellern

4 Forschung im Weltraum für technologische Spitzenleistung Wettbewerb zwischen Herstellern und Verfahren Additiv (EBM) Gießen Schmieden Fräsen Gewicht 100 g Buy to fly ratio - near net shape Technologie! Ressourceneffizienz, Nachhaltigkeit!

5 Forschung im Weltraum für technologische Spitzenleistung Schmelztechnologie Formschalenfertigung Formfüllung Erstarrung Eigenschaften des Gussteils ω Schmelzflüssige Legierung T 1600 C Keramische Formschale T 1000 C Schleudertisch Drehgeschwindigkeit 400 rpm Schleudergießen in keramische Formschalen: Zentrifugalkräfte bis 20g (hyper-g)

6 Forschung im Weltraum für technologische Spitzenleistung Atomarer Aufbau Erstarrungsstrukturen Prozesstechnik Produkt Von der Schmelze zum Gussteil: Physik auf mehreren Längenskalen Mikroskopisch Makroskopisch

7 Forschung im Weltraum für technologische Spitzenleistung µg Eigenschaften der Schmelze Entwicklung der Erstarrungsstruktur Keine störenden Kräfte exzellente Referenzmessungen und experimente!

8 Thermo-physikalische Eigenschaften der Schmelze Oberflächenspannung Viskosität, Fließzähigkeit Wärme-und Massetransport Elektrische Leitfähigkeit ISS EML: Berührungslose Messung in Schwerlosigkeit DLR Köln, Institut für Metallphysik im Weltraum, Prof. A. Meyer

9 Thermo-physikalische Eigenschaften der Schmelze Oberflächenspannung Viskosität / Zähigkeit Wärme-und Massetransport Elektrische Leitfähigkeit ISS Elektromagnetische Levitation: Methode des schwingenden Tropfens DLR Köln, Institut für Metallphysik im Weltraum, Prof. A. Meyer

10 Forschung im Weltraum für technologische Spitzenleistung µg Eigenschaften der Schmelze Entwicklung der Erstarrungsstruktur In Schwerelosigkeit exzellente Referenzexperimente, Modellverifikation!

11 Entwicklung der Mikrostruktur bei der Erstarrung Keimbildung und Wachstum Größe und Morphologie Wechselwirkung mit Nachbarn Ausgedehnte Erstarrungsmuster, Defekte Erstarrungsmodelle Dynamik des Wachstums und charakteristische Strukturgrößen

12 Entwicklung der Mikrostruktur bei der Erstarrung Keimbildung und Wachstum Größe und Morphologie Wechselwirkung mit Nachbarn Ausgedehnte Erstarrungsmuster, Defekte Erstarrungsmodelle sind allgemeingültig und genau deswegen zero-g Modelle!

13 Entwicklung der Mikrostruktur bei der Erstarrung Strömung Erstarrung Auftriebskräfte Strömungsrichtung? Geschwindigkeit? Auftrieb, Sedimentation u.a. Bewegung? Gekoppelte Modelle multi-physics Erstarrungsmodelle sind allgemeingültig und genau deswegen zero-g Modelle!

14 Forschung im Weltraum für technologische Spitzenleistung T g T g 1g-Bedingungen: Dichteunterschiede führen zu Strömung und Sedimentation L. Gránásy, Wigner Institut, Budapest

15 Entwicklung der Mikrostruktur bei der Erstarrung Äquiaxiale Dendriten T Keimbildung im Schmelzvolumen Wahllose Ausrichtung Freies Wachstum Charakteristische Größe: Zeit der Erstarrung Äquiaxiale Dendriten bei isothermen Abkühlungsbedingungen (zero-g)

16 Entwicklung der Mikrostruktur bei der Erstarrung Kolumnare Dendriten T Keimbildung an der kalten Wand Ausrichtung im Temperaturfeld Gerichtetes Wachstum Charakteristische Größe: Länge der Erstarrungszone Kolumnare Dendriten bei Abkühlung im Temperaturgradienten (zero-g)

17 Erstarrung der Turbinenschaufel im Bereich des Schaufelblatts Strömungsrichtung (Nachspeisung) Erstarrungsrichtung im Temperaturgradienten Blattdicke Formfüllung Erstarrung Nachspeisung Defektvorhersage

18 Erstarrung der Turbinenschaufel im Bereich des Schaufelblatts Dünnes Schaufelblatt Offene mushy zone Defekte: Poren 4 mm Kolumnare Randschale und äquiaxiale Erstarrung in Blattmitte Porosität

19 Entwicklung der Mikrostruktur bei der Erstarrung Erstarrungsöfen LGF, SQF Power supply Facility control Core facility Furnace module Vacuum / gas subsystem Water pump package drawer Gas supply Diverse Legierungen und Modelle ISS ISS- MSL und ISS-MSG, Forschungsprojekte zum Thema kolumnar äquiaxial

20 Forschung im Weltraum für technologische Spitzenleistung Referenzmessungen in µg Referenzexperimente in µg MRO Modellverifikation Experimente in 1g und hyper-g Reale Bauteile und Prozesse Komplexe Simulations-Codes Forschung unter Schwerelosigkeit ist gut eingebettet, zielorientiert und nachhaltig

21 Forschung im Weltraum für technologische Spitzenleistung Forschung Grundlagen Plattformen Grundlagenforschung Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten Universitäten, Fraunhofer, Max-Plank, DLR u.a. Industrielle F&E Technologie und Produktion Nutzung von Forschungsplattformen Beschleuniger-Ringe, DESY, ESRF u.a. Raumstation u.a. Träger ISS, MAXUS, TEXUS u.a. Solide förderpolitische Programme EU, BMBF, BMWI, DFG, AiF, ESA-ELIPS

22 Danksagung Projektträger DLR/BMWi, ESA Mission Support ESA, ESTEC (Noordwijk) DLR MUSC (Köln) SCC und DLR-Moraba Experiment-Anlagen Airbus Defence and Space Europäische und US-Projektpartner

23