Über Plastik bewegen: Desktop-3D-Druck in Metall und Keramik.

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Diese Stirnräder – im obigen Bild mit einer Euro-Cent-Münze als Maßstab zu sehen – wurden in Edelstahl mit einem Weltraum-Qualitätsstandard unter Verwendung von nicht mehr als einem handelsüblichen Desktop-3D-Drucker hergestellt.

Das von der ESA unterstützte Start-up-Unternehmen TIWARI Scientific Instruments in Deutschland hat eine Technik entwickelt, die einen kostengünstigen 3D-Druck unter Verwendung einer Vielzahl von Metallen und Keramiken ermöglicht. Normalerweise wäre die Herstellung von Präzisionsteilen aus solchen Hochleistungsmaterialien zeit- und kostenintensiv, aber das Unternehmen kann sie stattdessen mit Standard-3D-Drucktechniken in Form bringen.

Das TIWARI-Druckverfahren “Fused Filament Fabrication” (FFF) verwendet thermoplastische Fäden, die in Partikel des Metalls oder der Keramik eingebettet sind, aus dem das Teil hergestellt werden soll. Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, wird das Teil – ein so genannter “Grünkörper” – einer Wärmebehandlung unterzogen, um den Kunststoff zu entfernen, so dass ein Metall- oder Keramikteil zurückbleibt.

“Wenn dieser kunststoffhaltige Körper diese Behandlung durchläuft, bleibt reines Metall oder Keramik zurück”, erklärt der ESA-Ingenieur für nichtmetallische Materialien und Verfahren Ugo Lafont. “Das Ergebnis sind hochwertige Teile mit sehr guten physikalischen Eigenschaften. Diese billige, einfache Technik kann uns also zusätzliche Möglichkeiten zur Herstellung von Teilen für Raumfahrtanwendungen mit einer erweiterten Palette von Werkstoffen bieten”, erklärt Ugo Lafont.

Mit dem FFF-Verfahren hergestellte Versuchsteile aus Edelstahl und Titanmetallen sowie aus Aluminiumoxidkeramik und Siliziumkarbidkeramik wurden im Labor für Werkstoffe und elektrische Komponenten des ESTEC-Technikzentrums der ESA in den Niederlanden einer umfassenden Kampagne zerstörungsfreier und zerstörender Prüfungen unterzogen, um ihren Mehrwert und ihre Weltraumtauglichkeit zu bewerten.

Eine Überraschung war, dass die Teile im Vergleich zu ihren konventionell gefertigten Äquivalenten eine verbesserte mechanische Leistung aufweisen – so lässt sich beispielsweise Edelstahl auf bisher unerreichte 100% dehnen, ohne zu brechen.

TIWARI ist ein Startup-Unternehmen, das im Business Incubation Centre Hessen & Baden-Württemberg der ESA in Deutschland angesiedelt ist und sich auf Instrumente für die thermische Charakterisierung von Materialien sowie das 3D-Drucken von Hochleistungsmetallen und -keramiken spezialisiert hat.

“Desktop-3D-Drucker sind in den letzten Jahren immer billiger geworden, und es gab ein großes Interesse daran, Materialien mit traditionellem Druckmaterial zu mischen”, erklärt Firmengründer Siddharth Tiwari. “Aber der besondere Fokus unseres Unternehmens lag wirklich darauf, den Prozess gründlich zu verstehen und die Art der thermischen und mechanischen Eigenschaften zu untersuchen, die wir erreichen können.

“Diese Testkampagne mit der ESA war also von Anfang an Teil unserer strategischen Planung, um die Kommerzialisierung der Technologie zu unterstützen. In einer Zeit, in der andere Unternehmen noch über die mit 3D-Druckteilen erzielbaren Eigenschaften spekulieren, haben wir nicht ein, sondern vier verschiedene Materialien getestet und qualifiziert.

“Das bedeutet, dass wir dank der Möglichkeit, ESA-Ressourcen zu nutzen – die sonst viele zehntausend Euro gekostet hätten – über eine Datenbank verfügen, über die kein anderes Unternehmen verfügt. Und die Tatsache, dass unsere Teile für den Weltraum geeignet sind, hilft uns auch auf den terrestrischen Märkten.

Die Zusammenarbeit zwischen der ESA und TIWARI bei der Prüfung und Bewertung der 3D-Druckteile wurde durch das Technologietransfer- und Patentamt der ESA erleichtert.

“Wir hoffen, eine erschwingliche Lösung für einen Markt anbieten zu können, der oft durch die hohen Preise im Zusammenhang mit der additiven Fertigung abgeschreckt wird”, fügt Siddharth Tiwari hinzu. “Unser Unternehmen bietet eines der besten Preis-Leistungs-Verhältnisse auf dem Markt, und wir haben ein Online-Kalkulationstool eingeführt, mit dem Kunden prüfen können, wie viel die von ihnen benötigten kundenspezifischen Teile kosten werden.     .

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