3D-gedruckte Tesla-Turbine designen – Teil 2: Lagergehäuse-Entwicklung

Einführung

In der zweiten Folge unserer zweiteiligen Serie erklären wir, wie man eine zerspante Tesla-Turbine mit Markforged-Bauteilen retrofitted. Der erste Artikel stellte Tesla-Turbinen vor, identifizierte Komponenten, die ideal für 3D-Druck sind, und ersetzte das Turbinengehäuse durch ein kundenspezifisches Markforged-Bauteil. Dieser Eintrag fokussiert das verbleibende gedruckte Element: das Lagergehäuse.

Das Tesla-Turbinen-Lagergehäuse

Das Turbinengehäuse umhüllt die Wellenbaugruppe, kontaktiert sie aber nicht direkt. Stattdessen boltet ein intermediäres Bauteil – das Lagergehäuse – auf das Turbinengehäuse und sichert die Wellenbaugruppe mit zwei perfekt konzentrischen Lagern. Durch Auskragen der Rotorbaugruppe auf dem Lagergehäuse erlaubten die ursprünglichen Designer einem Zerspaner, die Lagerbohrungskonzentrizität einfach zu verifizieren. Diese Präzision ist kritisch; bei 24.000 rpm kann selbst eine geringe Fehlausrichtung katastrophales Versagen verursachen. Im ursprünglichen Aluminiumgehäuse lagen die Lagerpass-Toleranzen bei +0/-0,0004 in, was einen festen Pressfit ohne Behinderung der Rotation sicherte. Während eine Markforged-Maschine dieses Bauteil produzieren kann, stellt es eine größere Herausforderung dar als das Turbinengehäuse aufgrund engerer Toleranzen und kritischer Funktion.

Additive Manufacturing Design-Anpassungen

Drucken des Lagergehäuses verlangt Präzision und Konzentrizität. Glücklicherweise entspannt die reduzierte Oberflächenhärte von Onyx Toleranzen leicht – +0/-0,001 in ist realistisch im Vergleich zur Aluminium-Anforderung. Wir mussten auch Sicherungsring-Nuten und überhängende Flansche mit hoher Genauigkeit drucken; diese Features erfordern signifikantes Stützmaterial, das sauber mit Peel-Off-Supports entfernt wird. Zudem muss das Bauteil ein hohes Faseraufkommen, besonders um die Lager, aufnehmen, um Dimensionsstabilität zu wahren. Das Design erlaubt sechs Faserschichten um jedes Lager, was ample Verstärkung bietet.

Drucken des Gehäuses

Zur Validierung unseres Ansatzes druckten wir zwei Versionen des Lagergehäuses: eine auf dem Mark Two Enterprise und eine auf dem Mark X, jeweils evaluiert mit Laserdimensionsverifizierung.

Mark Two Gehäuse

Auf dem Mark Two basieren enge Toleranzen auf unabhängig gemessenen Unit Tests. Durch Drucken und Messen von Unit-Test-Ringen für jede Lagerpassung iterierten wir zweimal, justierten die CAD-Dimensionen und integrierten die verfeinerten Dimensionen in das vollständige Bauteil. Erst nach Verifizierung des kompletten Gehäuses fügten wir die Hardware ein. Bei Erfolg erreichten die Lager einen festen Pressfit und integrierten sich nahtlos mit dem Turbinengehäuse.

Mark X Gehäuse

Obwohl der Mark X auch auf menschlicher Validierung basiert, vereinfacht Laserdimensionsscanning den Workflow. Durch Scannen der Lagen, die die kritischen Lagerpassungen enthalten, verifizieren wir Toleranzen in Echtzeit ohne Messschieber. Wir erreichten beide Toleranzen im ersten Versuch, was Nachdrucke eliminierte. Dieser hands-off Prozess ist effizienter als Unit Testing.

Fazit

Trotz seiner Komplexität demonstriert das Lagergehäuse die Machbarkeit von engtolerantem 3D-Druck für Hochleistungskomponenten. Wir bestätigten funktionale Bauteile auf sowohl Mark Two als auch Mark X mit minimalen Designänderungen, und beide Gehäuse ermöglichen fehlerfreien Rotorbetrieb.

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