Additive Fertigung: Erfolgreicher Druck eines Hochleistungs-Radiallaufrads mittels SLM-Technologie

Veröffentlichungsdatum: 03.04.2026

Im Bereich der High-End-Fertigung ist die Umsetzung eines komplexen, topologieoptimierten Designs in die physische Realität der ultimative Test für einen Fertigungsprozess. Forgecise bietet eine hervorragende Fallstudie, die zeigt, wie man mit Hilfe der Technologie des selektiven Laserschmelzens (SLM) zahlreiche Herausforderungen bewältigen und erfolgreich ein leichtes, hochfestes, monolithisches Zentrifugallaufrad herstellen kann.

Designziele und zentrale Herausforderungen

Die Konstruktionsvorgaben für dieses Laufrad waren extrem streng:

• Leichtbau: Durch topologische Optimierung eine Gewichtsreduzierung von 17,14 % erreichen.
• Hohe Zuverlässigkeit: Gewährleisten Sie eine plastische Verformung von null bei 115 % der Arbeitsdrehzahl (ca. 66.700 U/min), wobei die Berstdrehzahl bei Raumtemperatur weit über 71.000 U/min liegt.
• Komplexe StrukturDie zur Gewichtsreduzierung vorgesehenen inneren Hohlräume stellen sowohl für die Fertigung als auch für die Nachbearbeitung erhebliche Herausforderungen dar, insbesondere im Hinblick auf die Entfernung von eingeschlossenem Metallpulver.

Material- und Geräteauswahl

• MaterialDas Starmaterial der Luft- und Raumfahrtindustrie, TC4-Titanlegierung (Ti-6Al-4V)wurde ausgewählt. Seine hohe spezifische Festigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und gute SLM-Umformbarkeit machen es zur idealen Wahl, um die Leistungsanforderungen von schnell rotierenden Bauteilen zu erfüllen.
• Ausrüstung: Ein Dual-Laser-SLM-Maschine wurde eingesetzt. Sein Bauvolumen von 300x300x400mm, 500W Faserlaser und eine streng kontrollierte Inertgasatmosphäre (Sauerstoffgehalt <1000 ppm) bildeten die Hardwaregrundlage für eine qualitativ hochwertige Fertigung.

Wichtige technische Innovationen

Die Brillanz dieses Berichts liegt in seiner Reihe ausgeklügelter Strategien, die speziell auf die Eigenschaften der additiven Fertigung zugeschnitten sind:

A. Strategie zur zonierten Parameterabtastung
Dies ist der Kern der Sicherstellung der Gesamtqualität. Anstatt eines standardisierten Ansatzes haben die Ingenieure drei Sätze von Prozessparametern individuell an die funktionalen Anforderungen verschiedener Bereiche des Bauteils angepasst:

• Feste Zone (Hauptlasttragende Struktur): Es wurden hohe Energiedichteparameter (325 W, 1250 mm/s) verwendet, um eine Dichte > 99,5 % zu gewährleisten und somit die Festigkeitsanforderungen zu erfüllen.
• Oberflächenzone (Bestimmt Präzision und aerodynamische Leistung): Die Feinparameter wurden separat auf Kontur, Ober- und Unterseite angewendet. Insbesondere für die Unterseite, die über das Pulverbett hinausragt, wurde eine geringe Energiezufuhr (120 W, 1250 mm/s) verwendet, um Pulveranhaftungen und -spritzer zu vermeiden und so die Oberflächenqualität zu gewährleisten.
• Unterstützungszone (werden später entfernt): Massive Stützkonstruktionen erforderten einen höheren Energieaufwand, um Stabilität zu gewährleisten; Gitterstützen erforderten einen geringeren Energieaufwand, um eine lockere Struktur zu schaffen, wodurch sie schnell und sauber zu entfernen waren.

B. Hybrid-Stützkonstruktion und integrierte Pulverabfuhrbohrung

• HybridunterstützungFür den Laufradsockel wurde eine innovative Kombination aus Konturstütze + Kegelstütze + Gitterstütze wurde verwendet. Diese Kombination gewährleistete Stabilität während des Formgebungsprozesses, verhinderte Verzug und vereinfachte die Nachbearbeitung erheblich. Laut Bericht dauerte das Entfernen der Stützstrukturen nur 30 Minuten.
• Integrierte PulverabfuhröffnungenWährend der Konstruktionsphase wurden acht horizontale und vier vertikale Pulverabfuhrbohrungen eingebracht. Position, Größe (2,0–2,5 mm) und Wandstärke dieser Bohrungen wurden präzise berechnet und mittels Finite-Elemente-Analyse verifiziert. Dies gewährleistete die strukturelle Integrität bei gleichzeitig nahezu 100%iger Pulverabfuhr und löste damit das branchenweite Problem interner Pulverrückstände.

C. Stützfreies, selbstformendes Design
Durch die Anwendung eines Überhangwinkelbeschränkung (≤45°) Zur topologischen Optimierung wurden alle Innenwandwinkel des Hohlraums so gewählt, dass sie größer als der kritische Selbstformungswinkel des SLM-Prozesses sind. Dadurch entfielen interne Stützstrukturen, was den Fertigungs- und Nachbearbeitungsprozess weiter vereinfachte.

Fertigungs- und Nachbearbeitungsablauf

Der gesamte Prozess war streng und kontrollierbar:

• ModellorientierungDas Laufrad wurde vertikal ausgerichtet, wobei die Schaufelachse mit der Baurichtung übereinstimmte, um die Oberflächenqualität und die Anforderungen an die Stützkonstruktion zu optimieren.
• DruckverfahrenDas Bauteil wurde 38 Stunden lang ununterbrochen in einer streng kontrollierten Argonatmosphäre gedruckt.
• NachbearbeitungDies umfasste natürliche Abkühlung, Pulverentfernung mit Druckluft, Vakuum-Spannungsarmglühen bei 600°C, Drahtschneiden von der Grundplatte, manuelles Entfernen der Stützstrukturen, zerstörungsfreie Röntgenprüfung und schließlich Sandstrahlen zur Verbesserung der Oberflächengüte.

Qualitätsprüfung und Kostenanalyse

• Mechanische EigenschaftenDie zusammen mit dem Laufrad gedruckten Zugproben zeigten Streckgrenzen (881-925 MPa), Zugfestigkeiten (980-994 MPa) und Dehnungen (13-16,8%), die den TC4-Materialstandard sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung deutlich übertrafen und somit einen ausreichenden Sicherheitsspielraum boten.
• Interne QualitätDie Röntgenuntersuchung bestätigte das Fehlen von Rissen, mangelnder Verklebung oder anderen Defekten und verifizierte somit eine dichte und zuverlässige innere Struktur.
• Abmessungen und GewichtDie gedruckten Maße lagen geringfügig außerhalb der Toleranz, und das Gewicht war etwa 5,9 % höher als der theoretische Wert. Dies war jedoch hauptsächlich auf Bearbeitungszugaben für die nachfolgende Endbearbeitung zurückzuführen, und das fertige Bauteil würde das angestrebte Gewichtsreduzierungsziel dennoch erfüllen.
• KostenDie Gesamtkosten beliefen sich auf 5.400 RMB, wobei die Materialkosten lediglich 12 % ausmachten – deutlich weniger als bei herkömmlichen Schmiedeverfahren. Dies unterstreicht den erheblichen Vorteil der additiven Fertigung bei der effizienten Nutzung teurer Materialien.

Abschluss

Die erfolgreiche Fertigung dieses Radiallaufrads ist mehr als nur die Herstellung eines einzelnen Bauteils; sie verkörpert perfekt die Philosophie der fertigungsgerechten Konstruktion. Durch die enge Verknüpfung der Konstruktionskonzepte der topologischen Optimierung mit den Eigenschaften der SLM-Technologie und deren Ergänzung durch innovative Prozesse wie zonierte Parameter, hybride Stützstrukturen und integrierte Pulverabtragung löste das Projektteam systematisch die zentralen Herausforderungen bei der additiven Fertigung komplexer Leichtbauteile. Dieser Bericht liefert einen vollständigen, reproduzierbaren und nachvollziehbaren technischen Bauplan für die zukünftige Anwendung im Maschinenbau von hochleistungsfähigen, komplexen Strukturbauteilen.

Um Forgecise

Forgecise ist ein Innovator im Bereich der additiven Fertigung und konzentriert sich auf Hochleistungs-Metall-3D-Druckanlagen, Materialien und Softwarelösungen für die industrielle Fertigung.