MiTRE

Hintergrund:
Das im November 2012 gestartete MiTRE-Projekt hatte das Ziel, einen kleinen, leichtgewichtigen und insbesondere kostengünstigen Mikroturbinengenerator für die Verwendung als ein Range-Extender für Elektrofahrzeuge zu konzipieren und zu bauen. Seine Ergänzung in einem Elektrofahrzeug reduziert die Kosten des Fahrzeugs (indem einige der Batterien ersetzt werden), während dem Eigentümer eine bessere Verfügbarkeit und Reichweite ermöglicht wird. Das Projekt umfasste Investitionen in Höhe von mehr als £3 Millionen und war eine kooperative Unternehmung, die vom TSB (Technology Strategy Board, jetzt Innovate UK) finanziert wurde. HiETA Technologies führte die Entwicklung des Mikroturbinen-Rekuperators an, die entscheidend war, um die beabsichtigten Kosten und Leistungsfähigkeit des Range-Extenders zu erzielen. Das Projekt wurde von im Vereinigten Königreich basierten Fahrzeugintegrator Delta Motorsports in Silverstone geleitet.

Herausforderung:
Gewöhnlich werden Wärmeaustauschprodukte aus dünnen Materialschichten hergestellt, die durch einen Prozess wie Löten, Schweißen und Diffusionsschweißen verbunden werden. Aufgrund der Komplexität der Konstruktionen ist die Produktion anspruchsvoll und zeitaufwendig, während das für den Verbindungsprozess verwendete Material das Gesamtgewicht des Bauteils erhöht. Vor der Arbeit bei HiETA wurde sehr wenig Forschung in Bezug auf die Nutzung von additiver Fertigung für die Herstellung von Wärmetauschern betrieben. Die anfänglichen Herausforderungen waren daher die Bestätigung, dass die additive Fertigung ausreichend dünne Wände mit der erforderlichen Qualität generieren und eine komplette Komponente mit der Komplexität eines typischen Wärmetauschers produzieren konnte.

Die dritte Herausforderung bestand in der Nutzung des gesammelten Wissens und der Erfahrung, um den Prozess von der Herstellung von Mustern und Prototypen zur Kleinserienproduktion zu bewegen.

Lösung:
HiETA hat eng mit Renishaw zusammengearbeitet, um spezifische Parametersätze für die Herstellung von leckagefreien, dünnen Wänden aus Inconel bis zu einer Stärke von 150 Mikron zu entwickeln. Beide Unternehmen haben unter Verwendung verschiedener Einstellungen auf der AM250 in den Anlagen beider Unternehmen Muster erzeugt. Die resultierenden Muster wurden wärmebehandelt und dann gekennzeichnet. Die Testergebnisse haben beiden Unternehmen ermöglicht, die optimalen Maschinenparameter für dünnwandige Strukturen zu bestätigen, und HiETA erlaubt, einen Konstruktionsleitfaden mit Parametern für die Wärmeübertragung in mit Laserpulverbett-Schmelztechnologie hergestellten Wärmetauschern zu erstellen. Nachdem eine leckagefreie ganzheitliche Wand erzielt wurde, bestand der nächste Schritt darin, zu einer vollständigen Einheit in voller Größe überzugehen, die in einer angemessenen Konstruktionszeit umgesetzt werden konnte. Neben der weiteren Optimierung der Renishaw-Vorrichtungen zur Bewerkstelligung größerer Muster verwendete HiETA diese Projekte zur Entwicklung eines Entnahmeprozesses für die Entfernung von überschüssigem Pulvermaterial vom Kern der Wärmetauscher.

Ergebnisse:
Das erste Ergebnis der Partnerschaft zwischen HiETA und Renishaw war die Erzeugung der erforderlichen grundlegenden Daten, um die additive Fertigungsvorrichtung für die erfolgreiche Herstellung von dünnwandigen Strukturen einzurichten und die erforderlichen Parameter zu bieten, damit die Leistung von mit der Renishaw-Vorrichtung hergestellten Wärmetauschern vorhergesehen werden konnte.

Die Wärmeübertragungs- und die Fluidstromdaten, die daraus resultierten, wurden in die CFD- und in die Finite-Elemente-Analyseprogramme, die von HiETA verwendet werden, integriert. Diese Programme können für eine anfängliche Beurteilung der wahrscheinlichen Leistung von neuen Komponentenkonstruktionen verwendet werden und können folglich bestätigen, dass die Vorschläge die Fähigkeit haben, den Anforderungen des Kunden zu entsprechen.

Der erste Versuch für die Herstellung eines vollständigen Produkts auf dem AM250-System hat eine erfolgreiche Komponente erzeugt, aber die Bauzeit betrug siebzehn Tage. Nach Verbesserungen der Hardware und Software sowie der Optimierung der Prozessparameter wurde diese Zeit auf achtzig Stunden reduziert. Detaillierte Testverfahren haben gezeigt, dass die Komponente die Anforderungen in Bezug auf Druckverlust und Wärmeübertragung erfüllen würde.

Diese Leistung konnte jedoch mit einem etwa 30% geringerem Gewicht und Volumen als jenem eines vergleichbaren Teils, welches mit herkömmlichen Methoden hergestellt wird, erreicht werden.

Anwendung:
Basierend auf dem Ergebnis des „MiTRE“-Projekts hat Delta Motorsport eine 35 kW-Version seines Range-Extenders entwickelt, die sich für das Ariel HiPERCAR eignete. Was die 35 kW-Version des MiTRE-Systems für das HiPERCAR anbelangt, hat sich Delta Motorsport für eine Lösung an HiETA gewandt. HiETA war in der Lage, das ursprüngliche 17 kW-Design auszubauen, um den gesteigerten Leistungsanforderungen der HiPERCAR-Anwendung gerecht zu werden.