ADDAX – Additive Fertigung von hocheffizienten Wärmetauschern für Wasserstoff-Elektrolyseure

Die Effizienz von Elektrolyseuren, insbesondere im Kontext der Energiewende und der Wasserstoffwirtschaft, ist maßgeblich abhängig von der Temperaturkontrolle im Elektrolyseprozess. Wärmetauscher spielen hierbei eine entscheidende Rolle. Konventionell werden solche Wärmetauscher gerade bei Neuentwicklungen und Kleinserien meist manuell hergestellt, was mit einem enormen Zeitaufwand verbunden ist und Qualitätsschwankungen zur Folge haben kann. Additive Fertigungsverfahren, wie das Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) stellen eine vielversprechende Alternative zur manuellen Fertigung dar. Sie ermöglichen komplexe Oberflächenstrukturen für eine optimale Wärmeübertragung bei gleichbleibender Fertigungsqualität. Eine Herausforderung beim PBF-LB/M ist jedoch die Ausbildung ungünstiger Eigenspannungsverteilungen, welche insbesondere bei den in Wärmetauschern verwendeten Hochleistungsstählen zu Rissen und Verzug im späteren Bauteileinsatz führen können.

Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Erzeugung vorteilhafter Eigenspannungsverteilungen im Bauteil, indem bereits während des Lagenaufbaus des additiven Fertigungsprozesses der Prozesslaser für eine gezielte Wärmebehandlung einzelner Bauteilbereiche genutzt wird. So können verzugs- und rissfreie, maßhaltige Wärmetauscher mit PBF-LB/M hergestellt werden. Um das Ergebnis der lokalen Wärmebehandlung und die damit verbundenen Eigenspannungsänderungen orts- und zeitaufgelöst während des Lagenaufbaus zu überwachen und so den Laser-Wärmebehandlungsprozess zu steuern, wird ein neuartiges sensorisches In-process-Messverfahren entwickelt. Dieses neuartige Messverfahren stellt eine besondere Herausforderung dar. Es muss einerseits empfindlich gegenüber lokalen Gefügeveränderungen im Bauteil sein, in den Bauraum der PBF-LB/M-Anlage integriert werden können und robust genug, um Messungen während des Lagenaufbaus zu erlauben.

Basis hierfür sind integrierbare Wirbelstromsensoren, die entsprechend den besonderen Anforderungen dieser Anwendung weiterentwickelt werden.

Vorgehensweise:

• Entwicklung und Implementierung einer prozessintegrierten, wirbelstrombasierten Messtechnik
• Aufbau empirischer Modelle zur Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Laserbearbeitung, Gefügeveränderungen und Eigenspannungen
• Herstellung von Bauteilen mit gezielter, lokaler Wärmebehandlung des Werkstoffs
• Validierung der Bauteileigenschaften mit zerstörenden Referenzverfahren