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3D-Druck von Luft- und Raumfahrtstrukturen jetzt zehnmal günstiger

Das Ingenieurteam des Projekts SPECTRAL hat einen neuen auf der Fused Filament Fabrication basierenden 3D-Drucker entwickelt, der den Druckvorgang beschleunigt und zehnmal weniger kostet als aktuelle kommerzielle Pendants.

Industrielle Technologien

Die Fused Filament Fabrication (FFF) ist eine der frühesten additiven Technologien zur Erstellung von Produkten, Prototypen oder Modellen in 3D. Bei dem Verfahren wird eine beheizte Düse verwendet, die geschmolzenen Kunststoff ausstößt und in dünnen übereinanderliegenden Schichten auf ein Druckbett aufträgt, wodurch schließlich das 3D-Druckteil entsteht. Die FFF-Technologie kann in verschiedenen Branchen zu einer Senkung der Kosten und Durchlaufzeiten führen. Die Chancen stehen daher nicht schlecht, dass sie die nächste 3D-Drucktechnologie der Wahl wird. Für eine revolutionäre Industrialisierung und Kommerzialisierung hat sie bisher jedoch noch nicht genügend an Dynamik gewonnen, da auf diese Weise nur Materialien bis zu einer Temperatur von etwa 280 °C extrudiert werden können. Andere erschwingliche 3D-Drucker auf dem Markt sind dagegen auf photopolymerisierte oder gesinterte Materialien ausgerichtet und schließen bestimmte Hochleistungspolymere wie Polyetherimid (ULTEM) und Polyetheretherketon (PEEK) aus.

Hochtemperaturmaterialien zur Erweiterung des Betriebsbereichs von 3D-Druckern

Hochleistungsthermoplaste wie ULTEM und PEEK sind einzigartig im Vergleich zu anderen 3D-gedruckten Kunststoffen. Hohe Festigkeit und Steifigkeit, ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit, Langzeit-Hitzebeständigkeit und breite chemische Beständigkeit sind nur einige der mechanischen Eigenschaften, die diese Familie von Thermoplasten in der Luft- und Raumfahrt sehr begehrt machen. Solche technischen Kunststoffe erfordern viel höhere Temperaturen für einen optimalen Druck. Obwohl einige FFF-3D-Drucksysteme Fortschritte bei der Verarbeitung von Materialien mit höheren Schmelzpunkten erzielt haben, befinden sie sich noch in der Beta-Phase. Die FFF-Technologie gilt als die vielversprechendste Technologie für den kostengünstigen PEEK- oder ULTEM-3D-Druck, konnte allerdings noch keine großen Erfolge bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt verbuchen. Denn aktuell wird in der Luft- und Raumfahrtindustrie noch das zertifizierte und weit verbreitete Elektronenstrahlschmelzen zur Herstellung von 3D-gedruckten PEEK-Teilen genutzt. Die Investitionskosten für eine PEEK-fähige Elektronenstrahlschmelzanlage können sich auf rund 1 Mio. EUR belaufen.

FFF-3D-Druck gibt zehnfach zurück

SPECTRAL wurde im Rahmen des EU-Programms Clean Sky 2 finanziert und hat es geschafft, eine neue kostengünstige und zuverlässige Technologie für den Druck von 3D-Produkten mit hohem Mehrwert zu entwickeln. Als Teil der Initiative Clean Sky 2 wurde der 3D-Drucker nach den Vorgaben des europäischen Flugzeugherstellers Airbus konzipiert. „Angesichts des großen Bedarfs an hochleistungsfähigen technischen Materialien sollten 3D-Drucker in Industriequalität keine astronomischen Summen kosten“, merkt Projektkoordinatorin Marilys Blanchy an. „Unser neuer industrietauglicher PEEK-3D-Drucker kostet zehnmal weniger als kommerzielle FFF-Drucker.“ Das ist ein Bruchteil dessen, was industrielle Elektronenstrahlschmelzanlagen kosten. Zur Verarbeitung von Hochleistungspolymeren ist der neue 3D-Drucker mit einer Druckkammer ausgestattet, die Temperaturen von bis zu 240 °C erreichen kann. Diese Hochtemperatur-Druckkammer minimiert den Verzug und gewährleistet die interlaminare Fusion. Das Drucksystem hat dabei nicht nur ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis, sondern arbeitet auch schnell und druckt mit herstellerunabhängigen Filamenten. Darüber hinaus entwickelte die Forschungsgruppe des Projekts eine Datenbank, mit der die automatische Aufzeichnung und Überwachung von 3D-gedruckten Teilen ermöglicht wird. Das Projekt SPECTRAL hat Herstellern in der Luft- und Raumfahrtindustrie erschwingliche Technologien zur Herstellung von Leichtbauteilen zur Verfügung gestellt, die zur Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und damit auch der Emissionen beitragen. Die neue Maschine ist eine der wenigen verfügbaren 3D-Drucktechnologien mit einem für die Branche akzeptablen Qualitätsniveau.

Schlüsselbegriffe

SPECTRAL, 3D-Drucker, Polyetheretherketon (PEEK), FFF-Technologie (Fused Filament Fabrication), Luft- und Raumfahrt, Polyetherimid (ULTEM), Elektronenstrahlschmelzen, Clean Sky 2

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