In Kürze
- Dank einer rotierenden Plattform kann eine neue 3D-Metalldruckmaschine in einem Schritt Materialpulver auftragen und dieses verschmelzen. Sie arbeitet dadurch schneller als herkömmliche Geräte.
- Das System kann zwei verschiedene Metalle in einem Durchgang verarbeiten. Es spart dadurch Arbeitsschritte und verwendet nur so viel Material, wie effektiv benötigt wird.
- Ein Prototyp entstand in nur neun Monaten und bietet Potenzial für Anwendungen in Raumfahrt, Luftfahrt und Antriebstechnik – überall dort, wo leichte, zylindrische Objekte benötigt werden.
Fast alle modernen Raketentriebwerke nutzen heute 3D-Druck, weil sich damit Struktur und Funktion besonders präzise verbinden und so die Leistung steigern lässt. Studierende der ETH Zürich haben dafür nun den schnellsten Multimaterial-Metalldrucker gebaut: Die neue Laserschmelzmaschine dreht beim Drucken Pulver- und Gasdüsen gleichzeitig mit. So verarbeitet sie mehrere Metalle in einem Durchgang ohne Pausen. Die Maschine könnte den 3D-Druck von Metallteilen grundlegend verändern, indem sie die Produktionszeit und die Kosten deutlich senkt.
Das sechsköpfige Team von Bachelor-Studenten im fünften und sechsten Semester entwickelte die neue Maschine im Rahmen des Fokus-Projekts Rapture am Labor für neue Fertigungstechnologien unter der Leitung von ETH-Professor Markus Bambach und Wissenschaftler Michael Tucker. In nur neun Monaten haben die Studierenden die Idee in konkrete Pläne umgesetzt, gebaut und getestet. Die Maschine eignet sich besonders für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen zylindrische Bauteile gefragt sind – etwa Raketendüsen oder Turbinen. Sie ist aber auch für den allgemeinen Maschinenbau interessant.
Zugang zu fortschrittlicher Technologie schaffen
Projektleiter Tucker erklärt, dass das Vorhaben aus einer sehr konkreten Herausforderung entstand: Aris, die «Swiss Academic Space Initiative», entwickelt eigene Raketen und benötigt dafür spezielle Düsen für Flüssigtreibstoffe. Das studentische Team verfolgt das Ziel, in den kommenden Jahren die Kármán-Linie zu erreichen – jene international anerkannte Grenze zum Weltraum in 100 Kilometern Höhe, ab der die Atmosphäre zu dünn ist, um Flugzeuge ohne besonderen Antrieb fliegen zu lassen.
Damit Raketendüsen die extreme Hitze und den hohen Druck während eines längeren Starts aushalten, sollten sie idealerweise aus mehreren Metallen bestehen. So kann das Innere einer Düse aus wärmeleitendem Kupfer mit integrierten Kühlkanälen bestehen, während die Aussenseite aus einer hitzebeständigen Nickellegierung gefertigt wird. «Für kleinere Akteure wie das studentische Raketenteam war eine solche Multimetall-Technologie bislang zu aufwendig und zu teuer», sagt Tucker.
Links eine herkömmliche 3D-Druckmaschine, rechts die rotierende Maschine von Rapture, bei der der Laser das Pulver kontinuierlich verschmelzt. (Bild: Michael Tucker / ETH Zürich)
3D-Druck in der Rotation
Kern der neuen Maschine ist eine rotierende Plattform, die einen schnellen Druckprozess ermöglicht. Anders als herkömmliche rechteckige Laserschmelzanlagen, bei denen nach jeder verschmolzenen Schicht eine neue Pulverschicht aufgetragen werden muss, arbeitet die Maschine von Rapture dank der rotierenden Plattform kontinuierlich: Die Maschine kann gleichzeitig Pulver auftragen und es vom Laser verschmelzen lassen. Dadurch steigt die Produktivität deutlich. Bei den zylindrischen Bauteilen verkürzt sich die Fertigungszeit auf weniger als einen Drittel.
Raketendüsen, rotierende Triebwerke und zahlreiche Bauteile in der Luft- und Raumfahrt seien ideal für diesen Prozess, sagt Tucker. Sie hätten typischerweise einen grossen Durchmesser, aber sehr dünne Wände. Die Maschine kann zwar auch nicht-achsensymmetrische Teile oder ganze Anordnungen von Bauteilen herstellen, doch für ringförmige Geometrien ist das rotierende Verfahren besonders effizient.
Zwei Metalle in einem Prozess verarbeiten
Die rotierende Maschine kann in einem Durchgang zwei verschiedene Metalle gleichzeitig verarbeiten. Herkömmliche Systeme brauchen dafür mehrere Schritte und deutlich mehr Metallpulver. Da sich gemischtes Pulver nur schwer trennen und wiederverwenden lässt, geht es heute meist als Abfall verloren. Das neue Verfahren trägt das Material nur dort auf, wo es am Bauteil tatsächlich benötigt wird und spart somit Material.
Die Maschine bläst ein spezielles Gas über die Stelle, an der das Pulver verschmilzt, um den Prozess zu stabilisieren. Stickstoff verhindert, dass das Bauteil, während es gedruckt wird, oxidiert. Russ, Spritzer und andere Nebenprodukte werden über einen Abzug gezielt entfernt. «Wir haben anfangs unterschätzt, wie stark diese Gasströmungs-Vorrichtung die Qualität des Produkts beeinflusst», sagt Tucker. «Heute wissen wir: Sie ist entscheidend.» Dank der rotierenden Architektur der neu entwickelten Maschine lassen sich die Gasströme am Bearbeitungspunkt viel genauer steuern als bei herkömmlichen Anlagen.
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