DRILL-X: Revolution in der Brandbekämpfung

Das neue Bohrlöschgerät DRILL-X, das im Einsatz mehr Effizienz und zusätzlich erhöhte Sicherheit für die Einsatzkräfte bietet, könnte ohne die Additive Fertigung nicht hergestellt werden.

Die Geschichte begann im Februar 2016 beim Löschversuch eines Wohnhausbrandes, in dem Lukas Traxl mit der Freiwilligen Feuerwehr Roith in Ebensee im Einsatz war. Beim Versuch, den Brand im Dachgeschoss unter Kontrolle zu bringen, wurden die Grenzen der Löschtechnik deutlich. Ein Vorrücken von innen war aufgrund der drohenden Gefahr für die Feuerwehrmänner nicht mehr möglich und von außen konnte das Löschwasser den Brandherd nicht erreichen, da das Blechdach den Wasserstrahl einfach ablaufen ließ. Trotz enormen Einsatzes war es nicht möglich, diesen schwer zugänglichen Brand erfolgreich unter Kontrolle zu bringen. „Ein klassisches Problem in der Brandbekämpfung. Schwer zugängliche oder gefährliche Brände werden immer häufiger und stellen Einsatzkräfte gerade bei Großbränden oftmals vor erhebliche Probleme. Das brachte mich auf die Idee, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem das Löschwasser direkt an den Brandherd gebracht werden kann. Eine Art Löschlanze schien mir die beste Möglichkeit. Idealerweise sollte diese in der Lage sein, Dächer zu durchdringen und gleichzeitig das Löschwasser ins Innere zu bringen. Das Problem dabei ist, dass Dachkonstruktionen bis zu 400 mm dick sein können und aus unterschiedlichen Baumaterialien wie Blech, Holz, Dämmstoffen und Verbundwerkstoffen bestehen“, erinnert sich Lukas Traxl, der an der TU Graz Maschinenbau studiert. Ein Prototyp einer solchen Löschlanze wurde gefertigt und auch getestet, die Löschwirkung konnte damals bereits nachgewiesen werden.

Die Kunststoffkomponenten werden bei Voxel4U im MJF-Verfahren hergestellt.

Lukas Traxl
Student Maschinenbau an der TU Graz und Projektleiter DRILL-X bei der Synex Tech GmbH

„Die Entwicklung und Ausführung des DRILL-X-Bohrlöschgerätes wäre ohne die Möglichkeiten der Additiven Fertigung nicht umsetzbar gewesen. Viele der Komponenten mussten so optimiert werden, dass sie konventionell nicht fertigbar wären.“

Aus zwei mach eins

Um beim Löschangriff in Dachkonstruktionen vordringen zu können, muss normalerweise zuerst mechanisch ein Zugang geschaffen werden, um danach mit geeignetem Löschgerät das Löschwasser oder den Schaum einzubringen. Dafür muss meist separates Gerät eingesetzt werden, das wiederum beim Löschangriff von den Einsatzkräften an die Einsatzstelle herangeführt werden muss. Als idealer Ansatz schien es Traxl deshalb, die Lösch- und eine Bohrfunktion innerhalb eines Geräts zu kombinieren, das außerdem so leicht sein sollte, dass es von einem einzelnen Feuerwehrmann bedient werden kann. Um möglichst keine zusätzliche Energieversorgung zu benötigen, zielte der Ansatz darauf, eine Turbine zu entwickeln, die ausschließlich durch die hydraulische Energie des im Feuerwehrschlauch geführten Löschwassers betrieben wird. Allerdings gab es keine handelsübliche Turbine, die auf dem geforderten Bauraum von 30 mm Durchmesser die erforderlichen Leistungsmerkmale aufwies. Dieses Aggregat war also neu zu entwickeln. Dabei ging der Erfinder einen gänzlich neuen Weg. Er hat für die Auslegung bewusst auf die herkömmlichen Auslegungsrichtlinien für Strömungsturbinen verzichtet und einen gänzlich neuen Ansatz gewählt, der es ermöglicht, eine wesentlich höhere Leistungsumsetzung zu erzielen. So kann durch geeignete Ausformung von Turbine und Leitapparat ein bedeutend höherer Wirkungsgrad erzielt werden. „Bereits damals wurde der Leitapparat, eine wichtige Komponente der hydraulischen Maschine, additiv gefertigt. Anders wären die erforderlichen Geometrien gar nicht umsetzbar gewesen. Erste Komponenten-Prototypen wurden an der HTL Wels durch das FDM-Verfahren hergestellt. Großer Dank gilt auch der Fachhochschule Wels, die mich in den Anfängen des Projekts mit einer lasergesinterten Komponente unterstützt hat“, so Traxl weiter. Weitere Unterstützung erfuhr der junge Entwickler auch von der Synex Tech GmbH in Bad Goisern, die nach dem erfolgreichen Funktionsnachweis 2018 das DRILL-X-Bohrlöschgerät als Projekt ins Unternehmen eingegliedert und den Erfinder als Projektleiter eingesetzt hat. Der Sondermaschinenbauer stellt seither die Ressourcen für die aufwendige Weiterentwicklung zur Verfügung. In der neuen Entwicklungsumgebung konnte das Produkt mehrere Entwicklungsstufen durchlaufen, ein schlagkräftiges Expertenteam steht mittlerweile hinter der Erfindung.

Gemeinsam mit dem Landesfeuerwehrkommando Oberösterreich wurde eine F&E-Infrastruktur aus Feuerwehr-Teststützpunkten eingerichtet, welche das Bohrlöschgerät bei echten Brandeinsätzen mitführt und einsetzt. Diese Einsätze werden wissenschaftlich ausgewertet. Erste Ergebnisse zeigen bereits das enorme Potenzial des Löschverfahrens. Beim bislang erfolgreichsten Einsatz konnte ein in Vollbrand stehender Dachstuhl eines Wohnhauses mit nur knapp 300 Liter Löschwasser in gut 30 Sekunden Löschdauer unter Kontrolle gebracht werden.

Für die Montage des Bohrlöschgerätes werden Gewindehülsen in die PA-Teile eingesetzt.

Die Additive Fertigung als Schlüssel zum Erfolg

Der 3D-Druck begleitet das Projekt seit der Entwicklung des ersten Prototyps. Während die ersten FDM-Düsen und Modellturbinen nur für Versuche genügten, hat der erste lasergesinterte Leitapparat der gesamten Entwicklungsgeneration der Hochdruckturbinen gedient. Als die ersten Hochdruckturbinen im System 2019 durch die erste Niederdruckturbine abgelöst wurden, wurde mit dem Reengineering ein neuer Leitapparat notwendig. Als professioneller Entwicklungspartner für Metall-3D-Druck konnte mit der M&H CNC Technik GmbH die bauliche Umsetzung dieser Innovation sichergestellt werden. Der oststeirische 3D-Druck-Pionier zeichnet u. a. für den Bohrträger und die wechselbare Bohrkrone sowie den Leitapparat, die SLM-Aufnahme sowie das SLM-Rohr verantwortlich. „Unser Vorteil liegt darin, dass wir nicht nur die Additive Fertigung realisieren, sondern auch die mechanische Nachbearbeitung“, erklärt M&H-Geschäftsführer Patrick Herzig. Vor allem die Umsetzung der SLM-Aufnahme ist von besonders hoher Innovationskraft geprägt. Denn: Schon im Vorjahr, als M&H die Ursprungsvariante der Synex Tech-Aufnahmen gedruckt hat, hat sich gezeigt, dass das hohe Supportvolumen und damit ein zeitaufwendiges manuelles Postprocessing zum einen schnell zum Kostentreiber avanciert, zum anderen die Aufspannung für die CNC-Bearbeitung zu komplex macht. „Ziel war es, die Aufnahme so umzugestalten, dass sie durch eine möglichst additiv-gerechte Geometrie sämtliche folgenden Bearbeitungsschritte erleichtern würden. Das bedeutet: Weg von der konventionellen, zerspanungsorientierten Konstruktion hin zum funktionsorientierten Design. Dazu haben wir uns angeschaut, welchen Anforderungen ein Bauteil gerecht werden soll und sind eben weniger darauf bedacht, wie man das Bauteil herstellt. Schließlich haben wir das Re-Design mit Topologieoptimierung bei uns im Haus umgesetzt“, sagt 3D-Druck-Experte Herzig.

Die Polymerkomponenten werden nach dem Entpacken mit Glasperlen gestrahlt, im Ultraschallfärbebecken gefärbt und anschließend nochmal verdichtungsgestrahlt.

Robert Grünwald
Geschäftsführer bei der Voxel4U GmbH

„Lukas Traxl ist ein Paradebeispiel eines innovativen Entwicklers, der von Grund auf funktionsorientiert denkt und dabei auch die Möglichkeiten der Additiven Fertigung direkt im Blick hat.“

80 Prozent weniger Volumen durch 3D-Druck

Das Bauteilgewicht wurde dabei zwar um drei Prozent geringfügig erhöht, das Supportvolumen konnte allerdings um satte 80 Prozent reduziert werden. Die Folge: eine Gesamtreduktion des Bauvolumens um 45 Prozent. Die Bauzeitersparnis betrug dadurch sogar 35 Prozent. Darüber hinaus reduziert sich die Zeit für das Postprocessing und auch die Fräszeiten, da die Geometrien der Aufnahme, die ein komplexes Aufspannen und Einrichten erfordert haben, jetzt direkt auf der Bauplatte zerspant werden können. Zum Einsatz kommt dabei eine SLM 280 mit einem Bauraum von 280 x 280 x 365 mm.

Aus der Fertigung des Leitapparats hat sich mittlerweile das gesamte Trägersystem des DRILL-X-Bohrlöschgerätes zu einem additiven Bauteil entwickelt, wodurch außergewöhnliche Vorteile entstanden sind. Das einfach wirkende, glänzende Rohr des DRILL-X verbindet als Mittelteil die Kunststoffbauteile und die Antriebseinheit im vorderen Bereich. In einem aufwendigen Konstruktionsprozess wurden hier knapp 30 subtraktiv gefertigte Bauteile auf drei Komponenten reduziert. Zwei davon sind wiederum miteinander verschweißt. Damit konnten zusätzlich knapp zwei Kilogramm Masse eingespart und die hydraulische Leistung massiv erhöht werden. Durch eine aufwendig entwickelte, strömungsoptimierte Konstruktion wurde der Strömungswiderstand um 270 Prozent gegenüber einer geschweißten Variante reduziert, was sich positiv auf die Gesamtleistung auswirkt.

Am Beispiel der von M&H gedruckten Aufnahme ist erkennbar, wie durch eine Optimierung des Baujobs Material und Nachbearbeitungszeit eingespart werden kann. Hinten: vor der Optimierung im Vergleich zum optimierten Job im Vordergrund.

Patrick Herzig
Geschäftsführer der M&H CNC-Technik GmbH

„Als 3D-Druck-Dienstleister, der ursprünglich aus der CNC-Zerspanung kommt, verstehen wir genau, was zu beachten ist, damit AM-Bauteile auch wirtschaftlich gefertigt werden können. Das ist besonders wichtig, wenn diese Teile auch in der Serie additiv hergestellt werden.“

Schulterstütze & Handgriff

„Neben den hohen Ansprüchen an die Geräteperformance stellte sich jedoch auch die ideale Ergonomie am funktionalen Gerätedesign als wesentlicher Faktor für die Einsatztauglichkeit dar. Das handgeführte Gerät muss mit maximaler Sicherheit und Komfort bedienbar sein, um in Extremsituationen für perfektes Handling zu sorgen. Im Zuge der Konstruktion der hochkomplexen Schulterstütze wurde auch hier klar, dass herkömmliche Fertigungsmethoden für dieses Produkt nicht ausreichen“, ergänzt Traxl und bringt den zweiten Fertigungspartner für DRILL-X-Komponenten ins Spiel. Das Startup Voxel4U GmbH mit Sitz in Abtenau im Salzburgerland hat DRILL-X seit Anbeginn der Prototypenentwicklung in der Additiven Fertigung der Kunststoffteile begleitet.

Die Kunststoffkomponenten der Salzburger sind mittlerweile die 42. Revision innerhalb der Prototypenserie. Gut zehn Versionen davon wurden vollständig oder in Teilkomponenten auf Löschgeräten aufgebaut und getestet. „Durch einen eng abgestimmten Konstruktionsprozess konnte das großvolumige Bauteil aus Polyamid perfekt auf alle Fertigungs- und Verwendungsanforderungen abgestimmt werden. Eine geschickte Bauteiltrennung macht die Verwendung der Bauteile ohne mechanische Nachbearbeitung möglich“, bemerkt Robert Grünwald, Geschäftsführer von Voxel4U, und ergänzt: „Durch den etwas raueren Umgang im Einsatzgeschehen ist das Gerät großen Belastungen und Beschädigungsgefahren ausgesetzt. Hier ist es von großem Vorteil, wenn die Teile außen wie innen schwarz sind und daher Kratzer und Ähnliches nicht sofort sichtbar sind.“ Gefertigt werden diese Komponenten auf einer Multi Jet Fusion 4210-Maschine von HP. „Um den Teilen den letzten Schliff zu geben und sie noch robuster zu machen, werden sie nach dem Entpacken mit Glasperlen gestrahlt, im Ultraschallfärbebecken gefärbt und anschließend nochmal verdichtungsgestrahlt. Zudem haben wir auch Dichtungen aus TPU 1301 im SLS-Verfahren für das Projekt bereitgestellt“, so Grünwald weiter. Somit werden alle relevanten Bauteile des Bohrlöschgerätes additiv gefertigt.

Das komplette Bohrlöschgerät wiegt weniger als zehn Kilogramm und kann dadurch von einem Feuerwehrmann allein bedient werden.

Infos zum Anwender

Idyllisch in Bad Goisern im Herzen des Salzkammergutes gelegen, befindet sich die Synex Tech GmbH, die im Oktober 2010 gegründet wurde. Die langjährige Erfahrung der Gründer und Mitarbeiter im Bereich Maschinenbau und EPS-Technik ermöglichte bereits die Realisierung verschiedenster komplexer und innovativer Kundenprojekte im In- und Ausland. Mit großer Motivation, umfassendem Know-how und fundiertem Hintergrundwissen werden bei der Synex Tech Aufträge ausgeführt. Je nach Kundenwunsch werden von Einzelteilen bis hin zu Gesamtprojekten Aufträge abgewickelt. Gemeinsam mit den Kunden projektiert man das Layout, legt Funktionsabläufe fest, konstruiert, erstellt Elektropläne und entwickelt die zugehörige Anlagensoftware sowie die Anlagenvisualisierung. Nach dem Zusammenbau der einzelnen Komponenten wird auf Wunsch die Inbetriebnahme bis zur Abnahme der Einzelmaschine bzw. Gesamtanlage durchgeführt.

Serie und darüber hinaus

Die Synex Tech GmbH wird mit dem DRILL-X im Frühjahr 2023 am Markt durchstarten. Die erste Auslieferung ist für Sommer 2023 geplant. Anfragen aus allen Teilen der Welt erreichen den Sondermaschinenbauer mittlerweile bereits täglich. Das Besondere: Die Additive Fertigung bleibt auch in der Serie erhalten. Synex Tech geht damit in eine Vorreiterrolle und zeigt vor, wie Additive Fertigung auch bei großen Stückzahlen wirtschaftlich sein kann. Neben den entscheidenden Technologievorteilen ergibt sich durch eine gut durchdachte und mit den Fertigungspartnern abgestimmte Batch-Fertigung auch ein entscheidender wirtschaftlicher Vorteil.

Das Fazit des Erfinders Lukas Traxl:

„In den frühen Tagen der Entwicklung von DRILL-X war das Bewusstsein für das Potenzial dieser Fertigungstechnologie noch nicht wirklich vorhanden. Um gute additive Applikationen zu erreichen, muss man aber eingefahrene Konstruktionsmethoden überdenken. Additive Denkweisen unterscheiden sich nahezu gänzlich von subtraktiver Fertigung, das war auch für unser Entwicklungsteam eine Herausforderung. Gemeinsam mit Voxel4U und M&H konnten wir die Vorteile wirklich überall dort umsetzen, wo auch Potenzial in der Konstruktion steckte. Nicht zuletzt ist dies auch nur möglich, weil entsprechende Software zur Optimierung bei uns im Haus als auch bei unseren Partnern eingesetzt wird, um aus der Konstruktion wirklich alles rauszuholen. DRILL-X würde es ohne 3D-Druck heute nicht geben!“