LaNa-Sax

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Entwicklung hocheffizienter Mikrowärmeübertrager und -Fluidsysteme mittels Mikro-SLM

Im Teilprojekt wurden zunächst Parameterstudien für die Materialien Edelstahl, Inconel 718 und Kupfer durchgeführt. Für Edelstahl und Inconel 718 konnten relative Dichten von über 99,5 %, minimale Wandstärken von 40 µm sowie Oberflächenrauheiten vertikaler Wände von unter 2 µm erreicht werden. Für Kupfer wurden hingegen lediglich relative Dichten von etwa 97 % sowie minimale Wandstärken von 150 µm erzielt, weshalb dieses Material im weiteren Projektverlauf nicht weiter berücksichtigt wurde.

Zur Steigerung der Wärmeübertragungsleistung gegenüber konventionellen Konzepten wurden TPMS-Strukturen (Triply Periodic Minimal Surfaces) eingesetzt, da diese insbesondere bei geringen Wandstärken und kleinen Einheitszellgrößen ein hohes Potenzial zur Leistungssteigerung aufweisen. Auf Grundlage der Ergebnisse der Parameterstudien wurden daher Teststrukturen verschiedener TPMS-Geometrien (z.B. Gyroid, Schwarz-D) aus Edelstahl und Inconel 718 gefertigt. Die Strukturen wurden mit minimalen Wandstärken von 60 µm und Einheitszellgrößen von 1 × 1 × 1 mm³ realisiert. Leckagefreie Strukturen konnten reproduzierbar ab Wandstärken von 100 µm hergestellt werden.

Darauf aufbauend wurde ein erstes Strukturkonzept für einen gyroidbasierten Wärmeübertrager aus Edelstahl realisiert und an einem eigens entwickelten Prüfstand im Wasser-zu-Wasser-Betrieb experimentell untersucht. Dabei wurden Wärmedurchgangskoeffizienten von bis zu 12 kW/m²K erreicht. Allerdings traten bei diesem ersten Prototypen Leckagen auf. Im Rahmen eines iterativen Entwicklungsprozesses wurde daraufhin ein zweites Strukturkonzept erarbeitet, bei dem das Design schrittweise auf Grundlage umfangreicher Leckagetests optimiert wurde. Mit diesem optimierten Konzept konnten Wärmedurchgangskoeffizienten von über 18 kW/m²K erzielt werden, ohne dass Leckagen nachgewiesen wurden.