Showcase 2. Juli 2018

AM-Metallteile mit eingebauten elektrischen Leitungen

AMAR ist ein neuartiges AM-basiertes Designkonzept, das die Entwicklung von Bauteilen mit eingebauten elektrischen Leitungen ermöglicht. Das Konzept wird erfolgreich angewendet und wurde beim Innovationswettbewerb der AM Expo 18 prämiert.

Der folgende Showcase beschreibt die Ergebnisse von AMAR, einem Projekt zur Neugestaltung eines SlipRing-Assembly-Rotors (SRA-Rotor) auf Basis der additiven Fertigung. Dieses Projekt wurde von RUAG Space Switzerland Nyon (RSSN) gemeinsam mit CSEM durchgeführt, wobei jeder Partner seine eigene Expertise einbrachte: Das Design von SRAs und das Re-Design eines bestehenden Produktes auf Basis fortschrittlicher Fertigungstechnologien. AMAR wurde vom schweizerischen Weltraumbüro (SSO) des SERI finanziert.

 

SlipRing-Assembly-Rotors (SRA-Rotor)

SRAs sind elektrische Durchgangsvorrichtungen, die dazu bestimmt sind, elektrische Signale von einem stationären Element auf ein rotierendes Element zu übertragen. SRAs werden auf der Erde für eine breite Palette von Anwendungen wie Videoüberwachung, Werkzeugmaschinen, Bewegungssimulatoren und viele andere eingesetzt. Im Weltraum sind SRAs wiederkehrende Elemente in Satelliten, wo sie in Solar Arrays Drive Mechanisms (SADMs), Antenna Pointing Mechanisms, Momentum Gyroscopes und anderen Instrumenten zu finden sind. Der Rotor einer SRA besteht nach dem heutigen Stand der Technik aus einem Stapel von hochpräzisen isolierenden und leitenden Ringen, wobei jeder leitende Ring manuell an einen elektrischen Draht gelötet wird, der seinerseits bis zum Ende des Rotors geführt wird. Der Stapel ist mit einer strukturellen Zentralwelle verbunden und die gesamte Baugruppe wird durch eine Matrix aus Gießharz mechanisch stabilisiert.

 

Die Produktion von SRA-Rotoren

Die Herstellung von SRA-Rotoren ist heute ein langwieriger und heikler Prozess, der eine Vielzahl von Komponenten und Produktionsschritten umfasst. Abbildung 6 illustriert diese "konventionelle" Architektur. Als Faustregel gilt, dass die Anzahl der Komponenten mit der Anzahl der in den Rotor einzubeziehenden elektrischen Kanäle nach einem Multiplikationsfaktor von drei zunimmt. Mit anderen Worten, jeder zu erreichende Kanal besteht aus drei Komponenten: einem Isolierring, einem leitenden Ring und einem elektrischen Draht.

 

Ziele des Entwicklungsprojekts

Es überrascht nicht, dass sich der Fertigungs- und Montageaufwand entsprechend erhöht und die Wahrscheinlichkeit von Zuverlässigkeitsproblemen steigt. In diesem Zusammenhang lagen die Beweggründe für ein Entwicklungsprojekt wie AMAR auf der Hand. Als eines der Hauptprodukte von RSSN wurde ein strategisches Ziel definiert, nämlich die Herstellungs- und Montagekosten um mehr als 40% zu senken und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit des Endprodukts zu verbessern. Das Redesign sollte auch eine Massenreduzierung des Rotors ermöglichen und den Einsatz von Kabeln, die Teil der aktuellen physikalischen Architektur sind, vermeiden.

Um diese Ziele zu erreichen, hat CSEM ein neues Konstruktions- und Fertigungskonzept entwickelt, das es ermöglicht, die beiden wesentlichen Merkmale des SRA-Rotors zusammenzuführen: den mechanischen Aufbau und die elektrischen Leiter einschließlich ihrer elektrischen Anschlussschnittstellen. Die zu fertigenden Teile können verschiedene 3D-Formen annehmen und somit einer breiten Palette von Produktspezifikationen gerecht werden. Durch die Vermeidung von Kabeln sind monolithische Ausführungen von elektromechanischen Bauelementen mit eingebauten Leitdrähten vorstellbar, die eine deutliche Vereinfachung des Montageablaufs ermöglichen.

 

Das Designkonzept

Das Designkonzept wird in Abbildung 4 illustriert. Es basiert auf der AM-Produktion einer monolithischen Struktur, die aus einem strukturellen Rumpf (1. Structural hull) und einer Vielzahl von elektrischen Drähten (2. Conductive wire) besteht, die über Opferbrücken (3. Sacrificial bridges) mechanisch mit dem Rumpf verbunden sind. Je nach Anforderung können verschiedene AM-Technologien eingesetzt werden. In einem zweiten Schritt wird die Struktur mit Isoliermaterial gefüllt (4. Insulating material). Das Isoliermaterial wird ausgehärtet und schließlich werden die Opferbrücken mittels eines konventionellen subtraktiven Verfahrens entfernt. Das resultierende Bauteil ist ein mechanisches Bauteil mit eingebautem elektrischen Leiter. Der Anschluss der Drähte kann verschiedene Formen annehmen, um die Funktion von elektrischen Anschlussschnittstellen wie Stift-, Crimp-, Feder- oder Schleifringkontakt zu erreichen. Die Form der Drahtenden "A" und "B" kann direkt während des AM-Fertigungsschrittes erreicht werden oder bei der bereits erwähnten Nachbearbeitung mit hoher Präzision umgeformt werden. Der strukturelle Rumpf kann zusätzliche Merkmale wie mechanische Grenzflächen, Referenzflächen, Biegeelemente, Gitterstruktur und viele andere enthalten, die alle "durch Design" während der AM-Fertigung oder während der Nachbearbeitung nach der AM erreicht werden.

Nach dem Gießen und Aushärten wird die Außenschale des Strukturrumpfes nachgearbeitet und die abgetrennten Ringe erscheinen im Harz eingekapselt. Die strukturelle Steifigkeit des Rotors wird fortan durch die verbleibende metallische Struktur oder durch das Harzvolumen bei vollständiger Entfernung des Rumpfes gewährleistet.

Das Detaildesign wurde gemeinsam von RSSN und CSEM erarbeitet. In dieser Phase wurden die Geometrien so definiert, dass der Einsatz von Trägermaterial vollständig vermieden werden konnte. Je nach Ausführung des Prototyps wurde der Durchmesser der eingebauten Drähte im Bereich von 0,5 bis 1 mm eingestellt und bei "B" wurden zwei Anschlussvarianten realisiert: axial orientierte nachbearbeitete Lötstiftlöcher und radial orientierte AM-Löthalter. Der Außendurchmesser des Rotors nach der Endbearbeitung ist ein Zylinder von 33 mm Durchmesser und 44 mm Höhe.

Das endgültige Design wurde mittels Laserschmelzen unter Verwendung der Standard-AlSi10Mg-Aluminiumlegierung hergestellt. Nach der Additivherstellung wurden die üblichen Nachbearbeitungsschritte Spannungsarmglühen, Bauteiltrennung und Präzisionsreinigung durchgeführt. Das Teil wurde dann mit einem Epoxidharz gefüllt, ausgehärtet und nachbearbeitet, um die äußere Hülle des Rumpfes und die Opferbrücken zu entfernen. Nach der Nachbearbeitung wird selektiv eine Goldschicht auf die Oberfläche der Schleifringe aufgebracht, um die tribologischen und elektrischen Eigenschaften des SRA-Rotors im Betrieb zu verbessern. Am Ende der Sequenz wurden die Kabel mit dem Endteil verlötet, das dann auf einem Leistungsprüfstand montiert wurde.

 

Eigenschaften der Rotortypen und weitere Entwicklungen

Die elektrischen Eigenschaften des Rotorprototypen wurden hinsichtlich elektrischer Kontinuität, Isolationswiderstand und Spannungsfestigkeit vollständig validiert. Das dynamische elektrische Rauschen und die Lebensdauer wurden ebenfalls verifiziert und zeigten zufriedenstellende Ergebnisse für SADM-Anwendungen, die für Low Earth Orbit (LEO) und Geostationary Orbit (GEO) Missionen vorgesehen sind. Eine Reihe von Verbesserungen wurde für die nächste Generation von Prototypen implementiert, um einige wichtige Eigenschaften wie dynamisches elektrisches Rauschen und die Kompaktheit des Rotors weiter zu verbessern, die auf ein breiteres Anwendungsspektrum abzielen. Bei einer Anzahl von 24 zu realisierenden elektrischen Leiterbahnen ermöglicht das neue Konzept eine Reduzierung der Bauteile von mehr als 70 Teilen auf ein einziges, was zu einer drastischen Reduzierung des Fertigungs- und Montageaufwands führt. Das neue Konzept erlaubt auch eine deutliche Reduzierung der Gesamtmasse, da die Zentralwelle ausgebaut oder optimiert werden kann. Die neue physikalische Architektur des Rotors enthält, wie gewünscht, keine Kabel mehr, was zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Systems beiträgt. Basierend auf einer vorläufigen Analyse am Ende des Projekts wird das Kostensenkungsziel von 40% als realistisch angesehen. Um diesen Wert zu festigen, soll die Entwicklung fortgesetzt werden, um die Designgeometrien und die Prozessparameter vollständig zu definieren. Der endgültige Prototyp muss dann in Bezug auf die vorgesehenen Anwendungsanforderungen voll qualifiziert sein. Diese sehr positiven Ergebnisse ebnen den Weg für eine Fortsetzung der Entwicklung, möglicherweise im Rahmen der Programme der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).

 

Evaluation des Projektes

In diesem 14-monatigen Projekt wurden dank der sehr kurzen Lieferzeit der durch das Laserschmelzen hergestellten Teile eine Reihe von Prototypen und Design-Implementierungstests durchgeführt. Diese mehrfachen Iterationen ermöglichten es uns, die relevanten Parameter für eine erfolgreiche Umsetzung des Designkonzeptes zu verstehen. Das sehr erfolgreiche Ergebnis von AMAR bestätigt nicht nur die Anwendbarkeit des Konzepts auf die SRA-Rotoranwendung, sondern auch auf andere Produkte, die von der gleichen verbesserten Neukonstruktion profitieren könnten. RSSN und CSEM danken der 3D Precision SA und der ProtoShape GmbH für ihre aktive Teilnahme am Projekt.

 

Weitere Informationen
Produktgruppen:
Medien, Publikationen, Messen
    Publikationen

Anwendungsbereich:
Mobilität (Automobil, Luft- und Raumfahrt)

Anbieter, welcher diesen Showcase präsentiert

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Foto von  Manuel Biedermann

Manuel Biedermann

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