Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) werden für das EUROFUSION Konsortium Herstellungsverfahren für Komponenten für die Kernfusion aus warmfesten Stählen entwickelt. Typische Spezifikationen wie die der sog. First Wall fordern Hauptabmessungen von bis zu 10 Metern, komplexe dünnwandige 3D-Schalengeometrien sowie ein engmaschiges Netz an oberflächennahen und innenstrukturierten Kühlkanälen für Helium bei > 300 °C und 80 bar. Solche Anforderungen sind derzeit kaum industriell realisierbar. Vor allem unter dem Gesichtspunkt, dass die Anzahl der Schweißnähte im Produkt im Hinblick auf Versagenswahrscheinlichkeiten möglichst gering gehalten werden muss.
Eine hierfür als Lösung entwickelte Prozesskette basiert auf einem additiven Fertigungsschritt (AM) und dem Fügen von Festkörpern mittels Heiß-Isostatischem Pressen (HIP).
Das hierbei zur Anwendung kommende AM-Verfahren des Metall-Pulver-Auftrags (MPA) der Firma Hermle vereint als hybriden Maschinenansatz einen auf Kaltgasspritzen basierenden additiven Materialauftrag direkt mit einem subtraktiven Materialabtrag durch die Kombination mit einem Hermle 5-Achs-CNC-Bearbeitungszentrum.
Beim Kaltgasspritzen kommt es zu keinem Aufschmelzen des verwendeten Ausgangspulvers. Die Erzeugung eines Materialverbunds entsteht durch eine hohe kinetische Energie beschleunigter Pulverpartikel, welche ausreicht bei Aufschlag eine metallische Bindung zu erzeugen. Somit können auch rissanfällige hochwarmfeste Stähle, wie der im Kraftwerksbau verwendete P92-Stahl, additiv verarbeitet werden. Das weiterhin von Hermle entwickelte wasserlösliche Füllmaterial erlaubt das Erzeugen von Hohlstrukturen, wie etwa Kühlkanälen. Somit können auf bis 700x400 mm² großen Substratflächen, welche eben als auch freigeformt sein können, konturnahe Kühlungen erzeugt werden.
Die neuartige Verfahrenskombination besitzt i.V. zu den etablierten Fertigungstechnologien zur Herstellung von Komponenten mit innenliegenden druckbeaufschlagten Kanalstrukturen zwei Vorteile: einerseits können die AM gefertigten Bereiche im Produkt deutlich im Volumen reduziert werden. Dies reduziert Herstellungskosten. Und zum anderen beinhaltet das fertige Produkt keinerlei Schmelzschweißnähte, denn die drucktragende Strukturnaht wird rein durch Diffusionsschweißen zwischen konventionell erzeugten Festkörpern gebildet.
Im Beitrag wird die neuartige Verfahrenskombination auf Basis des MPA-Verfahrens mit ersten Ergebnissen vorgestellt und Beispiele für industrielle Anwendungsmöglichkeiten aufgezeigt.