01 Die „unvermeidliche Verbindung“ zwischen Unterwasserausrüstung und Titanlegierungen
Unser Land verfügt über reichlich Meeresressourcen und Unterwasserausrüstung ist ein entscheidendes Werkzeug für die Erforschung des Ozeans. Seine Bedeutung liegt auf der Hand. In der Anfangszeit bestand die Unterwasserausrüstung hauptsächlich aus Materialien auf Eisenbasis. Später wurden häufig Aluminiumlegierungsmaterialien verwendet, um ein geringes Gewicht zu erreichen. Mit der Weiterentwicklung der Strategie, eine Seemacht zu werden, muss die Unterwasserausrüstung jedoch über die Fähigkeit verfügen, über große Distanzen zu navigieren, über lange {{7}Betriebsdauern hinweg zu funktionieren und in tiefen Gewässern eingesetzt zu werden. Titanlegierungen zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht, ihre hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und ihre nicht{10}}magnetischen Eigenschaften aus, was sie zur idealen Wahl für Strukturmaterialien in Unterwasserausrüstung macht. Dennoch ist die Verarbeitung von Titanlegierungen schwierig und herkömmliche Verarbeitungsmethoden weisen Probleme wie schlechte Maßhaltigkeit, lange Verarbeitungszyklen und hohe Kosten auf. Dies bietet auch Raum für die Anwendung der additiven Fertigungstechnologie, die nicht nur die Probleme bei der Verarbeitung von Titanlegierungen löst, sondern auch die Fertigungseffizienz und die wirtschaftlichen Vorteile deutlich verbessert.
02 Additive Fertigungstechnologie: Von der Geburt bis zur Entwicklung
Das Konzept der additiven Fertigungstechnologie lässt sich bis ins späte 19. Jahrhundert in den Vereinigten Staaten zurückverfolgen. Aufgrund der damaligen technischen Einschränkungen konnte diese Idee jedoch nicht verwirklicht werden. Erst in den 1980er Jahren legten Durchbrüche in der Hochenergie-Thermofusionstechnologie und der Rapid-Prototyping-Technologie den Grundstein für die Entwicklung der additiven Fertigungstechnologie. Seitdem hat sich diese Technologie kontinuierlich weiterentwickelt und ist nach und nach in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Medizin und der Automobilindustrie aufgestiegen und hat sich mittlerweile zu einer der modernsten Schlüsseltechnologien in der Fertigungsindustrie entwickelt. Der Kern der additiven Fertigungstechnologie liegt in der „schichtweisen Montage“. Es verwendet Wärmequellen wie Laser, Elektronenstrahlen oder Lichtbögen, um Pulver oder Drähte zu schmelzen und sie nach einem dreidimensionalen Modell Schicht für Schicht aufzubauen, wodurch letztendlich die Gesamtbildung von Bauteilen erreicht wird. Diese Technologie durchbricht nicht nur die Grenzen der traditionellen Fertigung, sondern bietet auch eine neue Lösung für die Herstellung komplexer Strukturen.
03 Anwendung der additiven Fertigungstechnologie in Unterwassergeräten aus Titanlegierungen
Innovative Herstellung von Propellern:
Der Propeller ist eine entscheidende Antriebskomponente von Unterwassergeräten. In der Vergangenheit standen Gusspropeller aus Titanlegierungen vor der Herausforderung hoher Kosten und eines umständlichen Prozesses. Bei kleinen Produktionsmengen war die mechanische Bearbeitung dicker Bleche zwar praktischer, die Materialausnutzungsrate war jedoch äußerst gering. Im Jahr 2017 haben die Damen Group, der deutsche Propellerhersteller Promarin, der Softwareanbieter Autodesk und das Rotterdam Additive Manufacturing Laboratory (RAMLAB) zusammengearbeitet und den weltweit ersten Propeller mit drei {{4}Blättern aus Nickel--Aluminiumbronzelegierung (mit einem Durchmesser von 1,35 Metern und einem Gewicht von 400 Kilogramm) mithilfe der additiven Fertigungstechnologie mit Lichtbogendraht erfolgreich fertiggestellt. Die entsprechenden Leistungstests wurden bestanden und das Gerät erhielt die Zertifizierung der französischen Klassifikationsgesellschaft. Die China Shipbuilding Industry Group Fenxi Heavy Industry Co., Ltd. nutzte gemeinsam mit Shaanxi Changlong Jiuzhou Metal Technology Co., Ltd. die LMD-Technologie, um versuchsweise einen Propeller mit sieben Blättern aus Titanlegierung (mit einem Durchmesser von 800 mm und einem Gewicht von 30 kg) herzustellen und beantragt derzeit die Zertifizierung bei der Chinese Classification Society. Im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden weist die additive Fertigung einzigartige Vorteile bei der Propellerherstellung auf und löst viele Probleme.
Durchbruch in der Herstellung von Hohlschalen:
Hohlschalen gehören zu den anspruchsvollsten Bauteilen in Unterwasserausrüstungen. Die traditionelle Methode, Ringe zu schmieden und zusammenzuschweißen, weist Probleme wie hohe Montageschwierigkeiten, zahlreiche Schweißnähte, große Schweißverformungen, niedrige Materialausnutzungsrate und lange Verarbeitungszeit auf. Unser Unternehmen hat die Testproduktion von Hohlschalen mithilfe der LMD-Technologie erfolgreich abgeschlossen. Nach dem Test hat diese Komponente den mechanischen Leistungstest und den externen Wasserdrucktest erfolgreich bestanden. Im Vergleich zu herkömmlichen Verarbeitungsmethoden hat sich die Materialausnutzungsrate von 50 % auf 95 % erhöht, die Verarbeitungszeit wurde von 7 Tagen auf 1 Tag verkürzt, die Herstellungskosten wurden um 20 % gesenkt, was die Fertigungseffizienz und die wirtschaftlichen Vorteile deutlich verbessert.
Erforschung und Experimentierung von Druckbehältern:
Im Ausland stellte das Breddermann-Team mithilfe der LMD-Technologie erfolgreich halbkugelförmige GR5-Titanlegierungsschalen her und führte Bewertungen und Tests an ihnen durch, um ihre möglichen Anwendungen in Unterwasserausrüstung zu erkunden. Die Forschung ergab, dass die Optimierung der Baurichtung und die Einführung von Stützstrukturen die Maßhaltigkeit der zweiten Halbkugelcharge verbessern könnte. Die Versagenstests zeigten, dass die Druckbelastbarkeit der zweiten Halbkugelcharge erheblich zugenommen hatte, was wichtige Hinweise für die Entwicklung von Unterwassergeräten aus Titanlegierungen lieferte.
04 Das „Highlight“ der additiven Fertigungstechnologie
Die additive Fertigungstechnologie unterscheidet sich von herkömmlichen Verarbeitungstechnologien. Basierend auf dreidimensionalen Modellen werden Pulver oder Drähte mithilfe von Wärmequellen wie Lasern, Elektronenstrahlen oder Lichtbogenströmen schichtweise verarbeitet und Schicht für Schicht aufgebaut, um die Gesamtbildung von Bauteilen zu erreichen. Beim Bau von Unterwassergeräten aus Titanlegierung bietet diese Technologie offensichtliche Vorteile.
Starke Anpassungsfähigkeit an die Größe:
Obwohl die laserselektive Schmelztechnologie (SLM) durch den Platz der Vakuumkammer begrenzt ist, können in- und ausländische Geräte mehr als 60 % der Komponenten von Unterwassergeräten abdecken, und mit der Entwicklung der Technologie nimmt die Formgröße immer weiter zu. Während die Technologien Laser Fusion Deposition (LMD) und Arc Additive Manufacturing (WAAM) grundsätzlich keine Einschränkungen hinsichtlich der Größe der Bauteilformation haben, können sie den Anforderungen großer Bauteile gerecht werden und nach anschließender Feinbearbeitung den Anforderungen der Gerätenutzung gerecht werden.
Wesentliche Vorteile bei der Herstellung komplexer Strukturen:
Am Beispiel von Propellern und Hohlschalen weist die traditionelle Herstellungsmethode hohe Kosten, komplizierte Prozesse und einen geringen Materialverbrauch auf. Mit der additiven Fertigungstechnologie können diese Probleme gelöst und die Produktionseffizienz verbessert werden. Beispielsweise haben sich die sieben{2}Blattpropeller und Hohlschalen aus Titanlegierung, die unser Unternehmen versuchsweise-hergestellt hat, hinsichtlich Leistung, Kosten und Verarbeitungszyklus erheblich verbessert.
Materialzusammensetzung und Leistung sind garantiert:
Studien haben gezeigt, dass die durch additive Fertigungstechnologie verarbeiteten Titanlegierungskomponenten die Standardanforderungen an die chemische Zusammensetzung erfüllen können und dass auch die mechanischen Eigenschaften einiger prozessvorbereiteter GR5-Titanlegierungsteile den Standards entsprechen können. Obwohl die Schlagenergie geringer ist als bei Schmiedestücken, ist die Gesamtleistung gut.
