Studierende entwickeln neuartiges Multimetall-3D-Druckverfahren

Fast alle modernen Raketentriebwerke nutzen heute 3D-Druck, weil sich damit Struktur und Funktion besonders pr?zise verbinden und so die Leistung steigern l?sst. Studierende der ETH Z¨¹rich haben daf¨¹r nun den schnellsten Multimaterial-Metalldrucker gebaut: Die neue Laserschmelzmaschine dreht beim Drucken Pulver- und Gasd¨¹sen gleichzeitig mit. So verarbeitet sie mehrere Metalle in einem Durchgang ohne Pausen. Die Maschine k?nnte den 3D-Druck von Metallteilen grundlegend ver?ndern, indem sie die Produktionszeit und die Kosten deutlich senkt.

Das sechsk?pfige Team von Bachelor-Studenten im f¨¹nften und sechsten Semester entwickelte die neue Maschine im Rahmen des Fokus-Projekts Rapture am Labor f¨¹r 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 Pl?ne umgesetzt, gebaut und getestet. Die Maschine eignet sich besonders f¨¹r Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen zylindrische Bauteile gefragt sind ¨C etwa Raketend¨¹sen oder Turbinen. Sie ist aber auch f¨¹r den allgemeinen Maschinenbau interessant.

Zugang zu fortschrittlicher Technologie schaffen

Projektleiter Tucker erkl?rt, dass das Vorhaben aus einer sehr konkreten Herausforderung entstand: Aris, die ?Swiss Academic Space Initiative?, entwickelt eigene Raketen und ben?tigt daf¨¹r spezielle D¨¹sen f¨¹r Fl¨¹ssigtreibstoffe. Das studentische Team verfolgt das Ziel, in den kommenden Jahren die K¨¢rm¨¢n-Linie zu erreichen ¨C jene international anerkannte Grenze zum Weltraum in 100 Kilometern H?he, ab der die Atmosph?re zu d¨¹nn ist, um Flugzeuge ohne besonderen Antrieb fliegen zu lassen.

Damit Raketend¨¹sen die extreme Hitze und den hohen Druck w?hrend eines l?ngeren Starts aushalten, sollten sie idealerweise aus mehreren Metallen bestehen. So kann das Innere einer D¨¹se aus w?rmeleitendem Kupfer mit integrierten K¨¹hlkan?len bestehen, w?hrend die Aussenseite aus einer hitzebest?ndigen Nickellegierung gefertigt wird. ?F¨¹r kleinere Akteure wie das studentische Raketenteam war eine solche Multimetall-Technologie bislang zu aufwendig und zu teuer?, sagt Tucker.

3D-Druck in der Rotation

Kern der neuen Maschine ist eine rotierende Plattform, die einen schnellen Druckprozess erm?glicht. Anders als herk?mmliche 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 Produktivit?t deutlich. Bei den zylindrischen Bauteilen verk¨¹rzt sich die Fertigungszeit auf weniger als einen Drittel.

Raketend¨¹sen, rotierende Triebwerke und zahlreiche Bauteile in der Luft- und Raumfahrt seien ideal f¨¹r diesen Prozess, sagt Tucker. Sie h?tten typischerweise einen grossen Durchmesser, aber sehr d¨¹nne W?nde. Die Maschine kann zwar auch nicht-achsensymmetrische Teile oder ganze Anordnungen von Bauteilen herstellen, doch f¨¹r ringf?rmige 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. Herk?mmliche Systeme brauchen daf¨¹r mehrere Schritte und deutlich mehr Metallpulver. Da sich gemischtes Pulver nur schwer trennen und wiederverwenden l?sst, geht es heute meist als Abfall verloren. Das neue Verfahren tr?gt das Material nur dort auf, wo es am Bauteil tats?chlich ben?tigt wird und spart somit Material.

Die Maschine bl?st ein spezielles Gas ¨¹ber die Stelle, an der das Pulver verschmilzt, um den Prozess zu stabilisieren. Stickstoff verhindert, dass das Bauteil, w?hrend es gedruckt wird, oxidiert. Russ, Spritzer und andere Nebenprodukte werden ¨¹ber einen Abzug gezielt entfernt. ?Wir haben anfangs untersch?tzt, wie stark diese Gasstr?mungs-Vorrichtung die Qualit?t des Produkts beeinflusst?, sagt Tucker. ?Heute wissen wir: Sie ist entscheidend.? Dank der rotierenden Architektur der neu entwickelten Maschine lassen sich die Gasstr?me am Bearbeitungspunkt viel genauer steuern als bei herk?mmlichen Anlagen.

Massarbeit statt Standardbauteile

Bei der Entwicklung der neuartigen Laserschmelzmaschine mussten die Studierenden mehrere technische H¨¹rden ¨¹berwinden. Eine davon war, den Laserstrahl mit der Rotation der Gaszufuhr und der Pulverversorgung exakt zu synchronisieren. Viele der f¨¹r die Maschine ben?tigte Bauteile gab es nicht im Handel, also entwarf das Team sie selbst. Dazu z?hlen eine drehbare Verbindung f¨¹r das Gaszufuhrsystem und ein System, das das Pulver w?hrend des Betriebs automatisch nachf¨¹llt.

Trotzdem gelang es dem Studententeam, eine Maschine zu bauen, die fast industrietauglich aussieht. F¨¹r Tucker war dies einer der H?hepunkte des Fokus-Projekts: ?Dass ein Studierendenteam in neun Monaten eine funktionsf?hige Maschine entwickelt und baut, ist aussergew?hnlich.?

Potenzial f¨¹r Raumfahrt, E-Mobilit?t und mehr

Das Team sieht neben dem konkreten Einsatz f¨¹r Aris und generell f¨¹r die Raumfahrtindustrie auch Anwendungsm?glichkeiten in anderen Bereichen, etwa bei Flugzeug- oder Gasturbinen sowie f¨¹r Elektromotoren, bei denen ringf?rmige Geometrien typisch sind. Aufgrund der Neuartigkeit und des grossen wirtschaftlichen Potenzials hat die ETH f¨¹r die rotierende Multimetall-Laserschmelztechnologie ein Patent angemeldet. Inzwischen ist sie auch f¨¹r den ETH Spark Award nominiert.

Die bisherigen mit dem Prototyp hergestellten Bauteile haben einen Durchmesser bis zu 20 Zentimetern. Das Forschungsteam arbeitet nun daran, den Prozess auf h?here Geschwindigkeiten und gr?ssere Durchmesser zu skalieren. Daf¨¹r suchen die Forschenden derzeit Industriepartner, die die Technologie gemeinsam mit ihnen weiterentwickeln und anwenden m?chten.