Ausgangslage:
Die Technologie der PFCs (Plasma-Wand Komponenten) mit der Verwendung von temperatur- und strahlungsbeständigem Wolfram oder Wolframlegierungen als Armierungswerkstoff in Kombination mit einer Trägerstruktur mit Wärmesenke aus hochwärmeleitfähigem Werkstoff (Kupfer- oder Stahllegierung) hat in den letzten Jahrzehnten ihre grundsätzliche Eignung nachgewiesen. Dies hat zu der Entscheidung geführt, in den am stärksten belasteten Bereichen (Divertor) Monoblöcke (MB) aus Wolfram, die mit einem Kühlrohr aus Kupfer verbunden sind, anstelle flacher Plattenkonstruktionen zu verwenden. Dieses Design ist prinzipiell in der Lage, eine hohe Wärmebelastung für mehrere tausend zyklische Aufheiz- und Abkühlphasen zu überstehen. Das Monoblock-Design wurde jedoch mit Blick auf konventionelle Fertigungstechniken entwickelt, etwa für Wolfram das Sintern, Walzen und Schneiden per EDM und das Fügen von Armierung und Trägerstruktur mittels Löten oder Schweißen. Dabei setzen die Sprödigkeit und hohe Härte von Wolfram enge Grenzen bezüglich der Bearbeitbarkeit und damit auch der realisierbaren Geometrie. Daneben ist die Lebensdauer durch Auftreten von Rissen begrenzt. In Qualifizierungstests zeigten sich "Makrorisse", welche die MB in der Mitte halbieren. Ein weiteres auch für Erste Wand Komponenten Lebensdauer-begrenzendes Problem ist der große Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Armierung aus Wolfram und der Trägerstruktur mit Kühlkanälen aus Kupferlegierungen oder niedrig aktivierender Stähle (RAFM). Die additive Fertigung bietet grundsätzlich die Möglichkeit, Bauteile konsequent funktionsoptimiert auszulegen und zu fertigen. Dies wird bereits branchenübergreifend zur Umsetzung innovativer Bauteiledesigns in der Serienfertigung wirtschaftlich eingesetzt.
Ziele:
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung neuer Designkonzepte der PFCs unter gezielter Nutzung der neuen Möglichkeiten der Additiven Fertigung, um die bisherigen Versagensursachen und Restriktionen zu beheben und so Robustheit und Lebensdauer sowie die Belastungsgrenzen von PFCs signifikant zu erhöhen. Darüber hinaus sollen die Parameter- und Prozessentwicklung vom Auftragsschweißen bis hin zur subtraktiven Nachbearbeitung für neuen Materialkombinationen realisiert und die technischen Anforderungen durch geeignete Prüf- und Qualifizierungsverfahren für Plasma-Wand Komponenten (PFCs) bestätigt werden.
Ablauf:
Das Vorhaben wird in insgesamt neun Hauptarbeitspakete (HAP) gegliedert, dabei hängen insbesondere die Neuauslegung der Erste-Wand (HAP2) und Divertor-Monoblock Komponenten (HAP3) mit der AM-Prozessentwicklung (HAP4) zusammen. Diese Arbeitspakete werden so lange iterativ durchlaufen bis ausreichend Ergebnisse zur Demonstration der Projektziele vorliegen.
Für die industrielle, wirtschaftliche Verwertung werden die Ergebnisse aus HAP4 und HAP5 in Kooperation mit dem Fraunhofer ILT auf die LMD/EHLA Anlagentechnik bei toolcraft transferiert. Neben einer Übergabe der identifizierten Prozessparameter wird der Prozesstransfer auf eine Industrieumgebung aufgrund der ähnlichen Maschinenspezifikationen jeweils am Fraunhofer ILT und bei toolcraft begünstigt. Der Transfer aus einer Laborumgebung in ein industrielles Umfeld erfordert Parameteradaptionen, die von toolcraft durchgeführt und metallographisch validiert werden. Neben dem Transfer der Prozessparameter werden die im Projekt entwickelten Softwarekomponenten auf die Anlagentechnik von toolcraft transferiert. Nach der erfolgreichen Umsetzung und Transfer der Forschungsergebnisse aus HAP4 und HAP5 bei toolcraft, erfolgt die Definition und Entwicklung der erforderlichen Nachbearbeitungsschritte, um die gesamte Prozesskette für die industrielle Verwertung abzubilden. Als Endanwender und dienstleistendes Unternehmen kann toolcraft auf einen umfangreichen Maschinenpark für die spanende Nachbearbeitung zurückgreifen.
