Additive Fertigung auf dem Weg ins Weltraumzeitalter

Von der EU finanzierte Forscher haben einen Fertigungsprozess für additives Schichten (Additive Layer Manufacturing) auf Grundlage des Auftragens von Metallpulver entwickelt, mit dem Teile für Weltraummissionen, Fertigungswerkzeuge und industrielle Formen hergestellt werden können.

Industrielle Technologien

Weltraum

Additive Layer Manufacturing ist ein ressourcen- und zeitsparender industrieller Prozess, bei dem Schicht um Schicht Material aufgetragen wird und dreidimensionale Teile entstehen. In Sektoren wie der Luft- und Raumfahrt bis hin zum Formenbau hat man erkannt, dass in dieser Technik ein großes Potenzial verborgen ist, wenn es darum geht, die Menge der anfangs benötigten Rohstoffe zu verringern. Das 4M-Projekt hat zweifellos dazu beigetragen, diesem Prozess eine hohe Flexibilität zu verleihen. „Hauptziel des 4M-Projekts war, die Elemente eines spezifischen Additivschichtfertigungsverfahrens auf Basis von Metallpulver zu entwickeln“, erklärt Projektkoordinator Dr. Erich Neubauer von RHP Technology, Österreich. „Dieses Metallpulver, das aus Partikeln von einigen Dutzend Mikrometern Größe besteht, wird in einen Plasmabrenner eingebracht, der wie ein Handschweißbrenner benutzt wird.“ Die Resultate werden derzeit von der Europäischen Weltraumorganisation auf der Machbarkeitsstufe analysiert, und das Projektteam hofft außerdem, dass der Prozess möglicherweise bei der Fertigung von Turbinenteilen für die Wasserkraftnutzung Einsatz finden könnte. Digitales Schneiden Während von Seiten der Hardware der Plasmabrenner das Startkonzept bildete, entwickelte das Projektteam überdies ein Softwaresystem, das die elektronische Datei von etwa einem Becher aufnimmt, ein dreidimensionales Bild davon erstellt und einen Schneidealgorithmus anwendet. Jede Becherschicht, die von der Software digital geschnitten wird, wird dann über das 4M-System der Hardware – dem Brenner – zugeführt, die unter Einsatz des Plasmabrenners zum Schmelzen des Metallpulvers einen echten, dreidimensionalen Becher aufbaut. Leichte und flexible Lösungen Eines der Elemente, welche die Innovationskraft des neu entwickelte System innovativ ausmachen, besteht darin, dass mit mehreren verschiedenen Materialien gleichzeitig gearbeitet wird. Der Plasmabrenner kann durch mehrere Düsen mit verschiedenen Materialien nacheinander oder gleichzeitig zugeführt werden. Nach der Entwicklung eines Prototyps des Plasmabrenners und des additiven Fertigungssystems untersuchte das Team verschiedene Materialsysteme. Neubauer erläutert: „Anhand dieses Konzepts können wir Formen aus mehreren Materialien fertigen. Bei unserem Becherbeispiel etwa könnten wir den unteren Teil aus dem einen Material und den oberen Teil aus einem anderen aufbauen.“ Auf diese Weise können die Hersteller Funktionalität erzeugen, was für Anwendungen wie etwas für den Weltraum wichtig ist. „Hier könnten wir beispielsweise eine Leichtbaukomponente und dann noch etwas hinzufügen, um die Härte zu erhöhen.“ Tatsächlich war die Weltraumsparte eine Haupttriebkraft für diese Technik. Im All eingesetzte Bauteile müssen im Allgemeinen leicht und nicht sehr groß sein, was bedeutet, dass das Konzept der additiven Fertigung in Hinsicht auf Kosteneinsparungen und Verkürzung der Durchlaufzeit sehr interessant ist. Beginnt man zum Beispiel mit einem großen Metallblock, so bedeutet das, dass die Menge an Material, die zur Fertigung des benötigten Werkstücks zerspanend abgearbeitet werden muss, machmal bis zu 90 % betragen kann. Bei dem additiven Fertigungskonzept, dem das 4M-Projekt den Weg bereitete, verwendet man dagegen nur die Menge an Metallpulver, die zum Aufbau des erforderlichen Objekts benötigt wird, und es muss nur eine Restmenge an Material durch nachfolgendes Zerspanen abgenommen werden. Neubauer zufolge ist der Schwerpunkt nun die weitere Verfeinerung, damit man vorankommt. „Unsere ursprüngliche Idee bestand darin, Systeme zu entwickeln, die wir in der Folge kommerzialisieren könnten, aber ich glaube nicht, dass wir schon auf diesem Niveau sind.“ „Das würde weitaus größere Investitionen erfordern. Stattdessen möchten wir ein Fertigungszentrum eröffnen, in dem die Einrichtung unseres Projekts reproduziert wird. Hier werden Produkte und Teile auf Anfrage erschaffen.“ Das Unternehmen befindet sich derzeit in Verhandlungen über die Einrichtung dieser Anlage.

Schlüsselbegriffe

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Development of a Machine for Multi-Material Manufacturing

Additive Fertigung auf dem Weg ins Weltraumzeitalter

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