Additive Herstellung von Durchflussmesssonden

Die Vectoflow GmbH produziert massgeschneiderte Durchflussmessonden mittels additiver Fertigung. Das Anwendungsbeispiel nutzt die Vorteile der additiven Fertigung hinsichtlich Design, Grösse und Material eindrücklich und wurde daher in den Swiss AM Guide 18 aufgenommen sowiean der AMX ausgezeichnet.

Ob Flugzeuge, Drohnen, Rennwagen, Gasturbinen oder U-Boote: In vielen Bereichen ist es wichtig und entscheidend, die Eigenschaften einer Flüssigkeitsströmung zu messen. Sogenannte Durchflussmesssonden werden zur Bestimmung von Druck, Geschwindigkeit und Winkel einer einströmenden Strömung eingesetzt. Das Beispiel eines Flugzeugs zeigt, wie wichtig es ist, die Geschwindigkeit des Luftstroms richtig zu messen. Ist die Fluggeschwindigkeit zu niedrig, kann die Strömung abrupt zum Stillstand kommen, während eine zu hohe Geschwindigkeit die Komponenten zu stark belastet.

 

Anforderungen an Messonden  

Durchflussmesssonden müssen je nach Anwendung und zu messendem Durchflussfeld unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Beispielsweise darf die Größe einer Messsonde nicht zu groß sein, da dies das Strömungsfeld stören und die Messergebnisse verfälschen würde. Bei reduzierter Baugröße sind die Sonden jedoch besonders zerbrechlich und müssen dennoch den Kräften im Betrieb standhalten. Je nach Anwendung sind die Sonden auch erhöhten Temperaturen ausgesetzt. Im Schadensfall ist ein schneller Austausch oder eine Reparatur von Vorteil. Deshalb müssen Durchflussmesssonden robust gebaut sein und exakte Ergebnisse liefern.

 

Vectoflow GmbH

Die Vectoflow GmbH stellt maßgeschneiderte Messlösungen zur Bestimmung des Zustands einer Strömung her. Additive Manufacturing wird zur Herstellung von Durchflussmesssonden in verschiedenen Größen, Formen und Materialien für verschiedene Anwendungen eingesetzt.

Je nach Einsatzgebiet können die Sonden hinsichtlich des Sondentyps, der Form der Sonde und des Sondenkopfes, der Anzahl der Messlöcher, des gewählten Materials und des untersuchten Systems angepasst werden.

 

Vorteile der additive Fertigung

Für diese spezielle Anwendung bietet der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren wie Laserschmelzen und Lasersintern eine Vielzahl von Vorteile. Die Gestaltungsfreiheit kann genutzt werden, um verschiedene Konfigurationen von Strömungssonden herzustellen. Durchflusssonden werden als Einzelkomponenten hergestellt oder können direkt in ein anderes Teil integriert werden. Neben der geometrischen Freiheit bietet die additive Fertigung auch ein hohes Maß an Flexibilität bei der Materialauswahl. Je nach Einsatzgebiet wird eine hochfeste Legierung wie Inconel für eine Gasturbine oder eine Turbomaschine gewählt, die bei erhöhten Temperaturen von bis zu 150 °C betrieben wird, oder ein Werkstoff wie Titan für leichte Anwendungen.

Die additive Fertigung hat auch den Vorteil, dass Durchflussmesssonden in einer sehr kleinen Baugröße gebaut werden können. Eine der kleinsten Durchflussmesssonden der Vectoflow GmbH hat einen Außendurchmesser von 0,9 mm und integriert fünf Kanäle mit einem Durchmesser von ca. 0,1 mm. Die Pulverentfernung ist eine Herausforderung für so kleine Dimensionen, kann aber durchgeführt werden. Entscheidend für die Qualität und korrekte Funktion der Messsonden ist die Orientierung im Bauraum des Druckers und die Prozessparameter.

 

Nachbearbeitung

Eine Nachbearbeitung der zusätzlich hergestellten Sonden hängt vom gewählten Verfahren und der Anwendung ab. Bei den meisten Sonden wird die Spitze der Sonde nachbearbeitet. Für die integrierten Kanäle wird in der Regel keine Nacharbeit durchgeführt. Da keine Flüssigkeit durch die Kanäle strömt und sich nur ein Druck aufbaut, ist es einfach wichtig, dass die Kanäle offen und voneinander getrennt sind. Je nach Sondenform und Anwendung kann die Oberfläche des Bauteils optional mit verschiedenen Nachbearbeitungstechniken nachbearbeitet werden.

Nach der Herstellung einer Durchflussmesssonde erfolgt die Kalibrierung in einem Windkanal. Die Messtechnik und die Sonde sind entsprechend der vorgesehenen Anwendung ausgerichtet. Im ersten Schritt werden die im Betrieb auftretenden Strömungsverhältnisse definiert und anschließend im Windkanal simuliert. Dazu kann neben der Strömungsgeschwindigkeit auch der Anstellwinkel des Zulaufs gehören. Die Sonde wird dann dem Strömungsfeld des Windkanals ausgesetzt. Die Sonde nimmt Messungen vor und ordnet sie den simulierten Strömungsverhältnissen zu. Auf diese Weise "lernt" die Sonde, welche Signale in einem bestimmten Strömungsfeld auftreten. Später im Betrieb nutzt die Sonde diese gewonnenen Erkenntnisse zur Bestimmung der Strömungseigenschaften.

 

Kundenspezifische Durchflusssonden

Abhängig von der vorgesehenen Anwendung und dem zu überwachenden Durchflussbereich kann eine geeignete und kundenspezifische Durchflussmesssonde gefertigt werden. Pitot- oder Prandtl-Sonden sind beispielsweise in jeder beliebigen Form erhältlich: z.B. gerade, L-förmig, kobraförmig, gebohrt, ellenbogenförmig oder komplett kundenspezifisch. Sogenannte Kiel-Druck- und Kiel-Temperaturfühler wurden speziell für die Messung des Gesamtdrucks oder der Gesamttemperatur einer Strömung bei Einfallswinkeln ungleich 0° entwickelt, wobei der Gesamtdruck in einem Winkelbereich von ±60° gemessen werden kann. Instationäre Sonden kombinieren die Robustheit einer Drucksonde (z.B. Fünf-Loch-Sonde) mit Drucksensoren, die eine hohe zeitliche Auflösung des Drucksignals ermöglichen. Je nach Sondengeometrie können Frequenzen von mehreren kHz gemessen werden.

 

Einsatz von Rechen

Um eine Messung für einen Strömungsbereich direkt an mehreren Stellen durchzuführen, z.B. bei einem komplexen Test einer Gasturbine im Windkanal, werden häufig sogenannte Rechen eingesetzt. Ein Rechen fasst mehrere Strömungssonden zu einem Bauteil zusammen und führt zu einer höheren räumlichen Auflösung des Strömungsfeldes. Auch hier bietet die additive Fertigung ein hohes Maß an geometrischer Freiheit, so dass ein Rechen exakt an die Anwendungsanforderungen angepasst und in andere Komponenten integriert werden kann.

Das Beispiel eines Rechens zeigt auch, wie verschiedene Konfigurationen mit parametrischen CAD-Modellen erstellt werden können. Beispielsweise wird neben der Anzahl der Sonden, dem Typ der einzelnen Sonden, der Positionierung der Sonden zueinander und weiteren Parametern automatisch die Geometrie des entsprechenden Rechens abgeleitet. Für die Individualisierung von Messsonden können die Ergebnisse einer Strömungssimulation auch zur Definition einer geeigneten Anordnung und Auswahl von Sonden verwendet werden.

 

Zusammenfassend zeigt der Anwendungsfall der Vectoflow GmbH eindrucksvoll, wie massgeschneiderte Durchflussmesstechnik für viele Bereiche hergestellt werden kann. Die Vorteile der additiven Fertigung hinsichtlich Design, Größe und Material werden gezielt genutzt und mit messtechnischem Know-how kombiniert. Auf diese Weise ist es möglich, kundenspezifische Durchflussmesssonden anzubieten, die robust, flexibel, integriert und hochpräzise messen.

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Produktgruppen:
Medien, Publikationen, Messen
    Publikationen

Anwendungsbereich:
Maschinenbau und Automatisierungstechnik

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Manuel Biedermann

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