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Können Container-Schiffe mit Hilfe der additiven Fertigung nachhaltiger werden?

Am 20. Januar 2022 von Regina P. veröffentlicht
Container-Schiffe

Heutige Container-Schiffe werden von großen, komplexen Motoren angetrieben, die eine strategische Herausforderung für die Schifffahrtsindustrie darstellen, vor allem weil sich diese seit einigen Jahren bemüht nachhaltiger zu werden. Die Branche ist bestrebt, die Motorteile zu optimieren – so soll beispielsweise durch Gewichtsreduzierung der Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Die additive Fertigung könnte genau hier ansetzen. Laut einer Pressemitteilung der Technischen Universität Dänemark (DTU) hat ein Forscher im Rahmen eines Kooperationsprojekts der DTU mit MAN Energy Solutions untersucht, ob eine 3D-gedruckte Einspritzdüse vorteilhaft wäre.

Die Einspritzdüse ist ein wesentlicher Bestandteil des Motors: mit dieser wird der Kraftstoff in den Motor eingespritzt. Der Kraftstoff wird dann mit Luft vermischt, um eine gute Verbrennung zu gewährleisten. Da die Düse mit herkömmlichen Herstellungsmethoden gefertigt wird, hat sie auch einen erheblichen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch und damit auf die Haltbarkeit des Motors. Aber was wäre, wenn die Düse für die Container-Schiffe mittels 3D-Druck hergestellt werden würde? Wir wissen bereits über die Vorteile der additiven Fertigung und kennen die Möglichkeiten, die die Technologie in puncto Design bietet. Warum also nicht eine optimiertere Form der Düse herstellen?

Die Haltbarkeit von Motoren ist essentiell für die Schifffahrtsindustrie (Bildnachweis: DTU)

Thomas Dahmen ist Postdoktorand in der Abteilung für Maschinenbau der DTU. Er führte diese Forschungsarbeit in Zusammenarbeit mit MAN Energy Solutions durch, einem deutschen Konzern, der Dieselmotoren unter anderem für die Schifffahrtsindustrie herstellt. Peter Hagen, Maschinenbauingenieur des Konzerns, erklärte: „Bei MAN Energy Solutions wissen wir schon lange, dass 3D-gedrucktes Metall uns gewisse Möglichkeiten bieten kann, um wichtige Teile unserer Schiffsmotoren zu konstruieren, was bisher nicht möglich war. Eine Zusammenarbeit mit der DTU zur Erforschung dieses Potenzials war daher eine naheliegende Wahl.“

Das Design der Einspritzdüse macht den Unterschied

Der Forscher arbeitete an einer QFD-Matrix (Quality Function Deployment, Einsatz von Qualitätsfunktionen), die an die additive Fertigung angepasst wurde. Dies ist eine Analysetechnik, welche es erlaubt den potenziellen Mehrwert des 3D-Drucks als Ganzes zu bewerten. Er wandte die Matrix für die Einspritzdüse an und erstellte daraus einen Baukasten der beschreibt wie 3D-gedruckte Düsen gestaltet werden können.

Die MAN Energy Solutions Gruppe stellt Gasturbinen her (Bild: Christoph Ruckstuhl / NZZ)

Und es stellte sich heraus, dass es tatsächlich das Design des Teils ist, das den Mehrwert im Einsatz der additive Fertigung ermöglicht. Durch das Biegen der Düse erkannte Thomas, dass der Kraftstoff besser fließen kann und somit eine bessere Verbrennung ermöglicht. Er erklärt auch, dass das neue Design die NOx-Emissionen des Motors (Stickoxide) reduzieren würde – es sind jedoch noch weitere Tests notwendig, um dies zu beweisen. Das Teil wurde übrigens an einem der Motoren von MAN Energy Solutions in Kopenhagen getestet und die ersten Ergebnisse waren überzeugend.

Der junge Forscher interessierte sich nicht nur für das Design der Düse, sondern untersuchte auch die verschiedenen 3D-Druckverfahren, um zu sehen, welches sich am besten für seine Modifikation eignen würde. So verglich er das Laserschmelzen  mit dem Binder Jetting. Sein Fazit: „Dieser Teil der Analyse hat gezeigt, dass sich das Binder Jetting für die komplexen strömungsbedingten Eigenschaften der Düsen am besten eignet,  unter anderem weil mit speziellen Hochtemperaturmaterialien gearbeitet wird, die mit anderen Herstellungsverfahren nicht einsetzbar wären.“ In Zukunft erwarten uns daher bestimmt mehr 3D-gedruckte Einspritzdüsen, die mittels Binder Jetting hergestellt werden. Weitere Informationen finden Sie HIER.

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*Titelbildnachweis: MAN Energy Solutions

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