Stream Lion Design entwickelt neuen Impulshammer mithilfe von Multi Jet Fusion

Paul Sickles‘ berufliches Fachgebiet war schon immer die neueste Hochleistungs-Industrietechnologie. Seine langjährige Erfahrung schließt noch das Lockheed SR71-Programm und den F-22 Raptor und sogar die Zusammenarbeit mit verschiedenen Weltraumorganisationen zur Entwicklung eines Materials für Hyperschallvehikel ein.

Heute führt Sickles sein eigenes Beratungsunternehmen, Stream Lion Design LCC, das darauf spezialisiert ist, anderen Firmen durch Anwendung neuester Technologien bei der Lösung kritischer technischer Probleme zu helfen. Kürzlich hat Stream Lion mithilfe von 3D-Druck eine Lösung für ein Unternehmen im Energieversorgungsbereich entwickelt.

Der Kunde von Sickles war darauf aus, ein in der Branche wohlbekanntes Problem bei Gasturbinen zu lösen. Gesucht wurde eine Methode zur Überwachung der Turbinen, um diejenigen mit dem höchsten Ausfallrisiko zu ermitteln. Man rief also bei Sickles an.

Die Lösung hing teilweise von der Erfassung und Analyse von Schwingungsdaten aus dem Inneren bereits installierter Maschinen ab – ein Prozess, der generell als „Modalanalyse“ bezeichnet wird. Anhand der erfassten Daten sollte ermittelt werden, welche Maschinen am schwingungsanfälligsten sind, damit entsprechende Maßnahmen getroffen werden können.

Daten über das Schwingungsverhalten werden gesammelt, indem ein Objekt mit einem als „Impulshammer“ bezeichneten Präzisionsinstrument angestoßen wird. Oft werden die daraus resultierenden Schwingungswerte vom Objekt über einen Beschleunigungsmesser an einen so genannten „Signalanalysator“ übertragen. Durch Anstoßen eines Objekts und Messen der Schwingungsreaktion lässt sich viel über das Schwingungsverhalten eines Objekts erfahren.

Der neue Impulshammer von Stream Lion ist kompakter als handelsübliche Geräte und somit für den industriellen Einsatz in beengtem Raum besser geeignet.

Suche nach einer Lösung für die Kleinserienfertigung

Bei dieser Methode gab es jedoch ein Problem – derartige Tests eignen sich am besten fürs Labor und nicht für das Innere einer Gasturbine. Sickles musste nämlich selbst ins Innere der Maschine klettern, um Hunderte von Schwingungstests durchzuführen. Er merkte schnell, dass ein fürs Labor gedachter Impulshammer nicht für diese spezielle Anwendung ausgelegt war.

Die Handhabung des Hammers im Inneren der Turbine erwies sich als außerordentlich schwierig. Sickles stellte fest: „Die Verhältnisse in der Turbine waren sehr beengt, und die Testobjekte waren während des Prozesses kaum oder gar nicht zu sehen.“ Dies erschwerte einen sauberen Anstoß mit dem Hammer, was zu minderwertigen Daten führte.

Auch konnte er die Tests nicht schnell genug durchführen, weil der Hammer so sperrig war. „Wenn man in einem Kraftwerk diese Art von Arbeit ausführt, muss alles nach Plan und nach strengen Zeitvorgaben ablaufen“, erklärte Sickles. „Ich musste sehr schnell rein- und wieder rausklettern.“

Nachdem er die Mängel des handelsüblichen Hammers erkannt hatte, begann Sickles mit der Konzeption eines neuen Impulshammers, der in einer Industrieumgebung bessere Leistungen bringen würde. Als eingefleischter Ingenieur beschloss er, die Sache selbst in die Hand zu nehmen und einen neuen Entwurf zu entwickeln. Er wollte die Ergonomie des Hammers verbessern, ihn verkleinern und andere Verfeinerungen vornehmen, um eine schnellere und zuverlässigere Datenerfassung zu ermöglichen.

Mithilfe von 3D-Druck setzte Sickles mehrere Iterationen um, bevor er den endgültigen Entwurf fertigstellte. Zur Fertigung des Teils entschied er sich für Multi Jet Fusion, ein produktionsorientiertes 3D-Druckverfahren, das von HP entwickelt wurde.

„Ich habe das Werkzeug untersucht, um zu sehen, wie ich es verbessern könnte. Ich begann, über mögliche Änderungen nachzudenken, und ließ dann mit 3D-Druck einen Prototypen anfertigen“, erklärte Sickles. Ich habe mit verschiedenen Prototypen experimentiert, um das neue Design gründlich zu prüfen.“

Als der endgültige Entwurf nach mehreren Iterationen Gestalt annahm, begann er sich über die Fertigung des Teils Gedanken zu machen. „Das neue Design stellte eine so große Verbesserung dar, dass auch anderweitig Interesse am Erwerb des Werkzeugs laut wurde. Ich stand nun vor der Frage, wie ich das verbesserte Produkt für Kunden verfügbar machen konnte.

Sickles setzte bei der Suche nach einem Fertigungsverfahren für das Serienteil eine Reihe wichtiger Prioritäten. Das Fertigteil musste robust genug sein, um wiederholten Stößen standzuhalten, enge Toleranzen einhalten, um eine ordnungsgemäßen Verbindung mit Kraftaufnehmern zu ermöglichen, und darüber hinaus auch in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich herstellbar sein.

3D-Druck - nicht nur für Prototypen

Die ersten Prototypen wurden auf dem Desktop-3D-Drucker von Stream Lion gebaut, aber Sickles war sich darüber klar, dass Haltbarkeit und generelle Qualität für ein robustes Endanwendungsteil nicht ausreichten. Und so wandte er sich an Protolabs.

Nachdem er die Anforderungen an das Teil mit einem Anwendungstechniker von Protolabs besprochen hatte, wog er die Vorteile einer Fertigung mit selektivem Lasersintern gegen die von Multi Jet Fusion (MJF) ab – beides sind produktionsorientierte 3D Druckverfahren.

Schließlich entschied sich Sickles für MJF. Die Gründe waren niedrigere Kosten, höhere Merkmalpräzision und höherer Oberflächenqualität als bei SLS. Diese produktionsorientierte 3D-Drucktechnologie würde ihm die Herstellung eines haltbaren Nylonteils mit präzisen Merkmalen ermöglichen, die genau zu den anderen Komponenten der Baugruppe passen.

Neues Design trifft Nagel auf den Kopf

Das neue Hammerdesign hat Sickles‘ Probleme mit dem handelsüblichen Werkzeug erfolgreich gelöst. Es war ergonomischer und benutzerfreundlicher, und zudem wies das 3D-gedruckte Teil die für den praktischen Einsatz erforderliche Festigkeit und Robustheit auf. Laut Sickles geht die Datenerfassung mit dem neuen Hammer doppelt so schnell.

„Neben der Funktionstauglichkeit waren auch Oberflächenqualität und Robustheit des Teils wichtig, da es für den praktischen Einsatz und nicht als Prototyp gedacht war. „Das Teil war von Anfang an ein Riesenerfolg. Die Toleranzen entsprachen genau meinen Anforderungen, es passte perfekt in die Baugruppe, und die perlgestrahlte und schwarz gefärbte Oberfläche verlieh ihm die ideale Textur.“

Mit dem 3D-Druckservice von Protolabs kann Sickles bei Eingang von Bestellungen immer wieder neue Hammer drucken lassen. Und durch das On-Demand-Fertigungsmodell ist er in der Lage, das Design weiterzuentwickeln, ohne dass Bestand veraltet.

„Diese Anwendung war für den 3D-Produktionsdruck ideal geeignet“, stellte Sickles fest. „Allzu oft wird der 3D-Druck nur für Prototypen genutzt, während zur Produktion auf Spritzguss oder Maschinenbearbeitung zurückgegriffen wird. Aber für mich ergibt sich dadurch, dass ich Teile genau in der benötigten Menge mit 3D-Druck anfertigen lassen kann, ein effizientes Geschäftsmodell“.