Magnetisch pulslassen opent deuren naar vliegen op waterstof
Over de hele wereld ontwikkelen technici en wetenschappers nieuwe technologieën om milieuvriendelijk te kunnen vliegen. Bij veel ontwikkelingen speelt men met het idee om in de toekomst waterstofmotoren in te zetten voor vliegtuigen. De vliegtuigmaatschappijen staan echter voor de uitdaging om deze energiebron op te slaan.
Bij magnetisch pulslassen zorgt het magnetische veld van een spoel voor een snelle botsing tussen de twee metalen. De hoge druk die daarmee wordt gegenereerd op het verbindingsoppervlak last uiteindelijk de twee metalen aan elkaar.
Waterstof wordt vloeibaar als het wordt afgekoeld tot minus 253 graden Celsius, en pas dan kan het worden gebruikt als een zogenaamde cryogene brandstof. Zowel tanks als leidingsystemen in het vliegtuig moeten bij zulke lage temperaturen absoluut dicht zijn. Om dit mogelijk te realiseren is een innovatief nieuw lasproces ontwikkeld: magnetisch pulslassen.
Wetenschappers van Fraunhofer IWS hebben Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) aan de Technische Universiteit München voorzien van een speciaal onderdeel van koper, hoogwaardig staal en aluminium voor zijn cryostaten – koelsystemen die extreem lage temperaturen moeten kunnen behouden. Tot nu toe werd dit samenstel vervaardigd door een complex proces met meerdere laserstraal-lasnaden, extra verbindingselementen en een hardgesoldeerde of elektronenstraal-lasnaad. “Maar toen waren er problemen met stabiliteit en dichtheid”, legt Dr. Markus Wagner, groepsmanager ontwerp en speciale processen bij het Fraunhofer IWS, uit.
De magnetische pulslasmethode zorgt binnen enkele microseconden voor een strakkere verbinding. Deze verbindingen functioneren betrouwbaar zowel bij zeer lage temperaturen tot min 270 graden Celsius als daar waar extreme temperatuurverschillen heersen. Ook ontstaan bij de verbindingen overlappingen die voor nog meer stabiliteit zorgen.
De technologieën die eerder door de onderzoekers van de Technische Universiteit München werden toegepast, behoren tot de groep van smeltlasprocessen. Metalen worden versmolten om een verbinding tussen hen te creëren. Deze methoden zijn echter afhankelijk van de metalen met vergelijkbare smeltpunten. Zoals Dr. Jürgen Peters, hoofd Sample Environment bij het Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) onderzoek van de Technische Universiteit van München, uitlegt: “Het probleem doet zich voor wanneer we verbindingen proberen te maken tussen metalen die zeer verschillende smeltpunten hebben of extreem bros worden wanneer ze met elkaar worden gemengd – bijvoorbeeld aluminium met koper of hoogwaardig staal. De monsters die zijn gelast door middel van de magnetische pulslasmethode, geleverd door onze partners bij Fraunhofer IWS, hebben de dichtheidstests doorstaan.”
Snelle, kostenefficiënte verbinding
Wetenschappers in Dresden doen al jaren onderzoek naar een nieuw verbindingsproces, waarbij de materialen niet versmolten worden. “Magnetisch pulslassen is niet gebaseerd op een hoge warmte-inbreng. Het proces is voornamelijk afhankelijk van een hoge druk tussen de verbindingspartners”, legt Jörg Bellmann uit, expert in magnetisch pulslassen in de groep van Markus Wagner. Wanneer het proces begint, is er een afstand van anderhalve millimeter tussen de verbindingspartners.
Een magnetisch veld zorgt ervoor dat een van de twee partners versnelt. In de rest van het proces botsen de metalen met hoge snelheden van 200 tot 300 m/s tegen elkaar aan. Er wordt dan een hoge druk gegenereerd op het verbindingsoppervlak en dit last uiteindelijk de twee metalen aan elkaar. Een meetsysteem, eveneens ontwikkeld bij Fraunhofer IWS, garandeert daarbij dat de componenten correct gepositioneerd zijn, in de juiste hoek botsen en dat het hele proces zo min mogelijk energie verbruikt.
Toepassingen met vloeibare waterstof
Het grote voordeel van magnetisch pulslassen is dat het combinaties van metalen kan verbinden die tot nu toe niet of moeilijk te lassen waren. Voor toepassingen met waterstof moeten materialen met een slechte warmtegeleiding worden samengevoegd met lichtgewicht constructiematerialen zoals aluminium. Het nieuwe proces maakt dit nu mogelijk. Het magnetisch pulslasproces is snel, kostenefficiënt en in staat om verbindingen van een constant hoge kwaliteit te produceren. “We kunnen deze methode ook toepassen om extreem dunwandige componenten te combineren”, vertelt Bellmann. Dit wordt mogelijk gemaakt door het aanbrengen van speciale ondersteuningselementen die na afloop van het proces weer kunnen worden verwijderd.
Daarmee biedt het nieuwe proces potentieel voor meer dan alleen de vliegtuigbouw. De goede elektrische geleiding in de verbindingszones maakt het ook aantrekkelijk voor de elektromobiliteitssector en voor processen in de elektronica-industrie.
