Alternative Fertigungspfade und Bauteileigenschaften von Schraubenrotoren

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Untersuchung der Wechselwirkung von Fertigungspfaden und Bauteileigenschaften bei der umformenden Fertigung von Schraubenrotoren für Rotationsverdrängermaschinen

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine interdisziplinäre Methodik zur Untersuchung der wechselseitigen Abhängigkeiten im Produktentwicklungsprozess zur Herstellung komplexer Bauteile zwischen Fertigungsmethode, Verfahrenskombinationen und Geometrie bei gleichzeitig guten Gebrauchseigenschaften von Bauteilen zu entwickeln. Beispielhaft soll dies an komplexen, engtolerierten Geometrien, wie sie an Schraubenmaschinen-Rotoren vorkommen, durchgeführt werden. Neben der iterativen Untersuchung der Frage nach Entwicklungsmethodiken zur Minimierung der sich im Entwicklungsprozess ergebenden, sich gegenseitig negativ beeinflussenden Anforderungen, liegt ein weiterer Schwerpunkt auf der Entwicklung einer Prozessführung und abschließenden Erprobung der gefundenen Prozessführung zur Herstellung dieser Geometrien mit Hilfe unterschiedlicher Verfahrenspfade.

Dazu werden in einer Studie unterschiedliche Rotorprofile, sowie umformtechnische Fertigungsverfahren untersucht, um zu einer Aussage zu deren Einsetzbarkeit bzw. zu den Verfahrensgrenzen zur Herstellung derart komplexer Geometrien zu gelangen. Randbedingungen bilden dabei eine möglichst prozessstabile Fertigung, verbunden mit hohen Schraubenmaschinen-Wirkungsgraden bei umformender Herstellung der Rotoren.

Da aus Gründen der Wirkungsgradoptimierung bei Schraubenmaschinen bestimmte Profilformen und Toleranzen erforderlich sind, die teilweise im Grenzbereich der Möglichkeiten umformender Fertigung liegen, gilt es hier, die Fertigungsgrenzen der Verfahren festzulegen und auf die Rotorprofile zu übertragen. Auf dieser Basis findet eine Auswahl geeigneter Profilformen statt, deren mögliche Herstellungspfade und Eigenschaften im Betrieb durch Simulationen mit der Methode der Finiten Elemente untersucht werden sollen, um geeignete Geometriekenngrößen, Werkstoffe und Verfahrensparameter zu erforschen.

In sich sukzessive vertiefenden theoretischen und experimentellen Studien ist die Einschränkung der Analyse verschiedener Fertigungspfade und Rotortypen auf den geeignetsten Fertigungspfad zur Schraubenrotorherstellung geplant. Für diesen Fertigungspfad sollen unterschiedliche Prozessführungsstrategien untersucht werden, die aufgrund möglichst hoher Fertigungsgenauigkeiten einen optimierten Herstellungsprozess ergeben sollen. Mit diesen Daten können am Fachgebiet Fluidenergiemaschinen thermodynamische Simulationen und Berechnungen der fertigungsbedingten Wirkungsgradgrenzen der betrachteten Rotoren in einer mit entsprechenden Spalten versehenen Maschine durchgeführt werden. Dieser Vorgang wird iterativ zu neuartigen Profilen führen, die eine gemeinsame Optimierung von Umformbarkeit und maschinentechnischer Eignung aufweisen. Die Untersuchung endet in der technischen Umsetzung erfolgversprechender Simulationsergebnisse zur Herstellung der Schraubenrotoren und in der experimentellen Überprüfung zur Herstellbarkeit und Einsetzbarkeit der entwickelten Geometrien.

Das Beispiel „Schraubenmaschinen-Rotoren“ wurde gewählt, weil dieser noch junge Energiewandler sich an der Schwelle zur Massenproduktion für die Aufladung von Verbrennungsmotoren und später Brennstoffzellen befindet. Zudem würden dünnwandige Rotoren das derzeitige Problem der engtolerierten Geometrieänderung durch die Möglichkeiten der Innenkühlung nachhaltig verbessern.

Dieses Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt.