Das Schweizer CSEM entwickelt im Projekt AHED (Advanced Heat Exchange Devices) mit Hilfe von 3D-Druck neuartige Rohre, die über eingebettete Sensoren verfügen. Diese könnten im CERN oder auch in der europäischen Raumfahrtindustrie zur Verbesserung der Leistung von Wärmeregelungssystemen eingesetzt werden. Wir stellen die Arbeit der Forscher und die Anwendungsbereiche der 3D-gedruckten Rohre einmal genauer vor.

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Das CSEM koordiniert laut einer Pressemitteilung das EU-finanzierte Projekt Advanced Heat Exchange Devices (AHEAD), das die Leistung von Wärmeregelungssystemen durch die Entwicklung mit 3D-Druck hergestellter Rohre mit eingebetteten Sensoren verbessern möchte. Diese Rohre könnten sich für Bereiche von industriellen Heiz- und Kühlsystemen bis hin zu Bewässerungssystemen für Industrie 4.0 eignen. Zudem würden diese dem CERN und der europäischen Raumfahrtindustrie neue Wege eröffnen.

Projekt „Advanced Heat Exchange Devices“

3D-gedrucktes Metallrohr mit Druckfittings
Dieser Demonstrator wurde während ATTRACT Phase 1 (Projekt SWAP) entwickelt und bis TRL3 validiert (im Bild: 3D-gedrucktes Metallrohr mit Druckfittings, elektrischer Durchführung und Aerosol-Jet-gedrucktem Temperatursensor)(Bild © CSEM / Maële Othenin-Girard).

Das kürzlich gestartete Projekt soll Wärmekontrollsysteme revolutionieren, die zu den kritischen Komponenten mehrerer Hochleistungsgeräte wie Satelliten und Weltraumraketen zählen. Heutzutage werden oft schwere und sperrige thermische Steuersysteme genutzt, die viele Verbindungskabel erfordern. AHEAD will diese durch kompakte, kostengünstigere und drahtlose Systeme ersetzen, die Daten in Echtzeit erfassen und mehr Effizienz bieten.

Ein 3D-gedrucktes Rohr mit eingebetteten Temperatursensoren und Heizelementen in der Rohrinnenfläche soll das ermöglichen. Das System wird ein Energierückgewinnungsgerät enthalten, um die eingebettete Elektronik mit Strom zu versorgen und eine automatische drahtlose Datenübertragung zu bieten.

Hervé Saudan, Projektkoordinator am CSEM, sagte:

„Ganz allgemein wollen wir Technologiebausteine ​​entwickeln, mit denen sich elektronische Komponenten wie Kabel, Stecker und Sensoren in viele verschiedene Arten von 3D-gedruckten Objekten integrieren lassen. Die Fähigkeit, Sensoren in Prozessanlagen einzubetten, wird ein wichtiges Merkmal von Industrie 4.0 sein. Die von diesen Sensoren gesammelten Daten können verwendet werden, um Algorithmen der künstlichen Intelligenz für die Prozesssteuerung, Prozessoptimierung und vorausschauende Wartung zu füttern.“

Das Konsortium aus 6 Partnern hofft, dass es seine Entwicklung in die vorindustrielle Phase bringen kann. Die Technologie soll sich für zahlreiche Anwendungen eignen, wie industrielle Heiz- und Kühlsysteme, Bewässerungsmechanismen, chirurgische Instrumente und Implantate, Werkzeugmaschinen, Robotik und Automobilteile. Für die Ingenieure sind Weltraummodule und neue Teilchendetektoren des CERN die wichtigsten Anwendungsbereiche.

Einsatzmöglichkeit im CERN

Das CERN möchte die mit Sensoren ausgestatteten Rohre in die thermischen Kontrollsysteme für Siliziumdetektoren einzusetzen, an denen dessen Ingenieure gerade arbeiten. Die Detektoren identifizieren bei Kollisionen freigesetzte Partikel. Durch die von AHEAD entwickelten Rohre können die thermischen Kontrollsysteme der Detektoren ohne die sonst erforderliche komplizierte Kabelverlegung betrieben werden, was wiederum Platz spart und eine bessere thermische Kontrolle durch Temperaturmessungen, die an strategischen Punkten erfasst werden, möglich macht. Ingenieure können vorhandene Kühlmittel durch solche ersetzen, die effektiver und weniger umweltschädlich sind.

Paolo Petagna, Projektmanager am CERN, sagte:

„Oft sind technologische Durchbrüche erforderlich, bevor Teilchendetektoren die außergewöhnliche Leistung erbringen können, die von ihnen erwartet wird. Diese Durchbrüche könnten zu einem völlig neuen Konzept mit Anwendungen führen, die weit über die ursprünglich beabsichtigten hinausgehen und wichtigen Industrien Vorteile bringen. Das sehen wir bei AHEAD.“

Einsatz in Raumstationen

Thales Alenia Space (TAS), einer der Projektpartner, untersucht, wie die mit Sensoren ausgestatteten Rohre in den Druckmodulen der Internationalen Raumstation und der zukünftigen Raumstation Lunar Gateway der NASA eingesetzt werden könnten. TAS möchte die Rohre außerdem in mechanisch gepumpten Zweiphasen-Flüssigkeitskreisläufen installieren. Dabei handelt es sich um eine Art thermisches Kontrollsystem, das in seinen Telekommunikationssatelliten zum Einsatz kommt.

Martin Raynaud, Wärmespezialist bei TAS, sagte:

„Das leichtere, kompaktere Design, das durch die Rohre ermöglicht wird, zusammen mit einer verbesserten Präzision bei Temperaturmessungen und einer schnelleren Montage, sind entscheidende Vorteile für uns. Sie ermöglichen eine bessere thermische Kontrolle, was in allen Raumfahrtsystemen ein kritischer Faktor ist. Das verschafft uns einen erheblichen Wettbewerbsvorteil gegenüber Konkurrenten in Europa und den USA.“

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