Wasserstoff gilt als immer wichtigerer Energieträger für Maßnahmen im Zuge der Dekarbonisierung. Die Wasserstoffverbrennung setzt zwar kein Kohlendioxid frei, allerdings entstehen mehr Stickoxide (NOx) als bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Das Fraunhofer IPT arbeitet mit Partnern an einer Lösung.
In einem gemeinsamen Forschungsprojekt haben die FH Aachen und das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen sowie die Präwest Präzisionswerkstätten aus Bremen mit einem additiven Fertigungsverfahren eine Wasserstoff-Brennkammer in einem neuen Design hergestellt, das den Ausstoß von Stickoxiden deutlich senken kann.
Diesen Prototypen stellten die Partner auf der Formnext vor, einer Fachmesse für additive Fertigung und industriellen 3D-Druck. Das Design der Brennkammer unterstützt das von Prof. Dr. Harald Funke entwickelte MicroMix-Brennverfahren (MMX). Es setzt im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsprozessen mit einigen großen Flammen auf eine Vielzahl kleinerer Flammen. Die MMX-Brennkammer ist so konzipiert, dass das Gas sich optimal mit der zugeführten Luft vermischt und mit geringerer NOx-Bildung verbrennt. Die Fertigung solcher Brennkammern ist jedoch technisch sehr anspruchsvoll, denn die Fertigungstoleranzen sind gering. Zudem führen subtraktive Fertigungsverfahren wie Fräsen und Bohren zu vergleichsweise hohen Kosten. Daher wählten die Projektpartner das additive Verfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) zum Aufbau des Prototyps. Das Bild zeigt einen 3D-gedruckten Mikro-Misch-Brennerkopf, eine Komponente der MMX-Brennkammer.
Hintergrund: Metallischer 3D-Druck für komplexe Bauteile mittels LPBF
LPBF ist ein additives Fertigungsverfahren, mit dem sich die Brennkammer aus einem Metallpulver aufbauen lässt. Dabei wird durch einen Mikroschweißprozess in einem Pulverbett die Querschnittfläche des Bauteils schichtweise aufgeschmolzen. Durch extrem dünne Schichtstärken gelingt es, die komplexe Bauteilgeometrie in einer hohen Auflösung herzustellen, in der viele Funktionselemente im Inneren der Brennkammer bereits angelegt sind. Das reduziert den Aufwand zur Nachbearbeitung deutlich.
Nach der additiven Fertigung der Brennkammer und dem Abtrennen der Plattform, auf der sie aufgebaut wurde, sind nur noch wenige subtraktive Nachbearbeitungsschritte durch Fräsen und Bohren erforderlich. So werden etwa die filigranen, beweglichen Luftleitbleche in einem Fräsprozess hergestellt und die Bohrungen für den Wasserstoffaustritt nachträglich hinzugefügt. In der Kombination der einzelnen Fertigungsschritte gelingt es den drei Partnern, die Schwächen der bisher bestehenden Verfahren zu kompensieren und die Einzelprozesse zu einer synergetischen Prozesskette zu verbinden.
Kosteneinsparung durch additiven Aufbau der MMX-Brennkammer
Das MMX-Konzept hat sich nach Fraunhofer-Angaben im Testbetrieb bereits bewährt. Auf der Grundlage von Simulationen prognostizieren die Aachener Forscher zudem, dass der Einsatz von LPBF den Zeitaufwand der Montage deutlich verringern und die Kosten einer solchen Brennkammer bis zu 90 Prozent reduzieren kann. Neben den ökologischen und ökonomischen Vorteilen, die die neue Brennkammertechnologie ohnehin bietet, werden durch das LPBF-Verfahren auch die Fertigungsprozesse nachhaltiger und erfordern einen geringeren Ressourceneinsatz als die konventionelle Herstellung aus Einzelkomponenten, die aufwändig und unter vergleichsweise hohem Materialverbrauch zusammengefügt werden müssen. Einen ersten funktionsfähigen Prototypen der MMX-Brennkammer sowie verschiedene weitere Bauteile, die mit dem LPBF-Verfahren und durch „Express Wire Coil Cladding“, ein Verfahren des drahtbasierten Laserauftragschweißens, entstanden, zeigte das Fraunhofer IPT Mitte November auf der Formnext in Frankfurt am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft.
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