Ein Bauteil statt Baugruppe
Kühlkanäle, Lamellen und Anschlüsse entstehen in einem Stück. Die meisten Löt- und Schweissstellen fallen weg, und damit auch Montage- und Prüfaufwand.
Satelliten-Radiator aus Titan im Metall-3D-Druck
Ein Leichtbau-Wärmetauscher aus Ti-6Al-4V (Grade 23) für die Temperaturregelung von Satelliten und Raumfahrtsystemen.
Wenn Wärme im Vakuum abgeführt werden muss
Elektronik, Batterien und Instrumente an Bord eines Satelliten erzeugen Wärme, die im Vakuum nicht an die Umgebungsluft abgegeben werden kann. Thermalregelsysteme transportieren sie deshalb über ein Kühlmedium zu Wärmetauschern und Radiatoren. Damit bleiben die Komponenten in ihrem zulässigen Temperaturbereich.
Jedes zusätzliche Gramm erhöht die Startkosten. Konventionell gefertigte Wärmetauscher bestehen oft aus vielen gelöteten oder geschweissten Einzelteilen, und jede Fügestelle kostet Montage- und Prüfaufwand und kann undicht werden. Feine Kanäle und dünne Lamellen lassen sich spanend kaum wirtschaftlich herstellen.
Hier kann ein Radiator aus dem Metall-3D-Druck helfen.
Die Lösung: ein einteiliger Radiator aus Titan im Metall-3D-Druck
Der Radiator wird schichtweise aus Ti-6Al-4V Grade 23 aufgebaut. Kühlkanäle, dünnwandige Lamellen und Fluidanschlüsse entstehen dabei in einem Stück, die meisten Fügestellen fallen weg. Die Geometrie lässt sich direkt auf Bauraum, Wärmelast und Schnittstellen im Satelliten auslegen.
Grade 23 ist die ELI-Variante („Extra Low Interstitial“) von Ti-6Al-4V. Sie hat eine hohe Festigkeit bei geringer Dichte, eine gute Bruchzähigkeit und dehnt sich bei Wärme wenig aus. Titan leitet Wärme allerdings schlecht. Das gleichen dünne Wände und eine grosse Oberfläche aus, und für diese feinen Strukturen eignet sich die Schichtdicke von 40 µm.
Nach dem Druck wird der Radiator spannungsarmgeglüht. Das baut Eigenspannungen aus dem Druckprozess ab, damit sich das Bauteil nicht verzieht. Beim anschliessenden Sandstrahlen wird die Oberfläche gleichmässig, und anhaftendes Pulver wird entfernt.
Fertigung im Überblick
Der Radiator wurde aus Ti-6Al-4V (Grade 23) gedruckt, spannungsarmgeglüht und sandgestrahlt.
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Fertigungsdaten Werkstoff Schichtdicke Druckzeit Branche |
Nachbearbeitung
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Preis des gezeigten Fertigungsbeispiels: 970 €.
Der Preis für ein neues Projekt hängt unter anderem von Bauteilgeometrie, Werkstoff, Stückzahl und gewünschter Nachbearbeitung ab.
Was der 3D-gedruckte Radiator ermöglicht
Grosse Fläche für den Wärmeaustausch
Dünnwandige Multichannel-Strukturen und feine Lamellen gleichen die geringe Wärmeleitfähigkeit von Titan aus. Konventionell sind solche Geometrien kaum herstellbar.
Material nur, wo es gebraucht wird
Die Geometrie wird auf Bauraum, Wärmelast und Schnittstellen im Satelliten ausgelegt. Das hält die Masse gering, und Designvarianten lassen sich ohne Werkzeugkosten testen.
Häufige Fragen zum Satelliten-Radiator
Wie dünn können Wände und Kanäle im Titan-3D-Druck sein?
Als Richtwert sind Wandstärken ab etwa 1 mm und Kanäle ab etwa 1 mm Durchmesser machbar. Wichtiger als das Minimum ist, dass sich das Restpulver aus allen Kanälen entfernen lässt. Kanäle brauchen deshalb Öffnungen und sollten keine toten Enden haben. Das prüfen wir bei der Datenprüfung.
Warum nicht Aluminium statt Titan für einen Radiator?
Aluminium leitet Wärme mehr als zehnmal besser als Titan und ist im 3D-Druck als AlSi10Mg verfügbar. Titan hat dafür eine höhere Festigkeit und dehnt sich bei Wärme weniger aus. Das zählt bei Verbindungen zu anderen Bauteilen und bei Temperaturwechseln im Orbit. Welcher Werkstoff passt, hängt von Wärmelast, Masse und Schnittstellen ab.
Wie wird die Dichtheit eines gedruckten Radiators geprüft?
Bei Bauteilen mit Kühlmedium sind Druckprüfungen und Helium-Lecktests üblich. Welche Prüfungen und Nachweise Ihr Projekt braucht, legen Sie als Auftraggeber fest. Nennen Sie uns die Anforderungen in der Anfrage, damit Fertigung und Nachbearbeitung darauf abgestimmt werden.
Mehr dazu: 3D-Druck für die Luft- und Raumfahrt
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Onur Yildirim
Head of Sales Additive Manufacturing
Fislisbach, Schweiz