Kluger Dreh beim 3D-Druck Schweizer Studenten entwickeln den schnellsten Multimetall-3D-Drucker

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An der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) kann man jetzt mehrere Metallsorten gleichzeitig additiv verarbeiten – Patent läuft ...

Fast alle modernen Raketentriebwerke entstehen heute per 3D-Druck, weil sich damit Struktur und Funktion besonders präzise verbinden lassen, um die Leistungsfähigkeit zu steigern, sagen die Forscher von der ETH Zürich. Denn damit die 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 hitzebeständiger Nickellegierung ist. Studenten der Hochschule haben dafür nun auch noch den schnellsten Multimaterial-Metalldrucker gebaut, wie man betont. Der laserbasierte 3D-Drucker dreht dabei während des Prozesses Pulver- und Gasdüsen gleichzeitig mit. So verarbeitet er dann mehrere Metalle in einem Durchgang und ohne Pausen, heißt es. Die Maschine könne den 3D-Druck von Metallteilen grundlegend verändern, indem sie die Produktionszeit und die Kosten deutlich senke. Entwickelt wurde das System im Rahmen des Fokus-Projekts Rapture am Labor für neue Fertigungstechnologien. In nur neun Monaten haben die Studenten aus dem fünften und sechsten Semester, wie betont wird, die Idee in konkrete Pläne umgesetzt sowie den Drucker gebaut und getestet. Die Maschine eignet sich demnach besonders für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen zylindrische Bauteile gefragt sind – eben Raketendüsen oder auch Turbinen. Sie sei aber auch für den allgemeinen Maschinenbau interessant. Die bisherigen mit dem Prototyp hergestellten Bauteile haben einen Durchmesser bis zu 20 Zentimetern.

Bauteile aus zwei Metallen in einem Rutsch drucken

Das Herzstück der neuen Maschine für die additive Fertigung von Metallkomponenten ist eine rotierende Plattform, die den schnellen Druckprozess garantiert, heißt es. Und anders als übliche rechteckig ausgelegte Laserschmelzanlagen, bei denen nach jeder verschmolzenen Schicht eine neue Pulverschicht aufgetragen werden muss, arbeitet die Maschine von Rapture aufgrund der rotierenden Plattform unterbrechungsfrei. Sie kann dabei gleichzeitig Pulver auftragen und es vom Laser verschmelzen lassen. So steigt die Produktivität zwangsläufig. Bei zylindrischen Bauteilen verkürzt sich die Fertigungszeit etwa um über 66 Prozent, wie die Zürcher anmerken. Raketentypische, zylindrische Bauteile haben meist einen großen Durchmesser, aber sehr dünne Wände, was dem additiven Fertigungsprozess entgegenkommt, heißt es. Die Maschine könne zwar auch nicht-achsensymmetrische Teile oder ganze Anordnungen von Bauteilen herstellen, doch für ringförmige Geometrien sei das rotierende Verfahren produktiv. Die rotierende Maschine kann in einem Durchgang zwei verschiedene Metalle gleichzeitig verarbeiten. Herkömmliche Systeme brauchen dafür mehrere Schritte und deutlich mehr Metallpulver. Und weil sich gemischtes Pulver nur schwer trennen und wiederverwenden lässt, geht es heute meist als Abfall verloren. Die Maschine bläst auch 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 sicher entfernt.

Diese Problemfelder mussten die Schweizer überqueren

Bei der Entwicklung der neuartigen Laserschmelzmaschine mussten die Studierenden aber auch mehrere technische Hürden nehmen. Ein Problem war es etwa, den Laserstrahl mit der Rotation der Gaszufuhr und der Pulverversorgung exakt zu synchronisieren, wie es dazu heißt. Viele der für die Maschine benötigte Bauteile gab es außerdem nicht im Handel – also entwarf das Team sie kurzerhand selbst. Dazu zählen beispielsweise eine drehbare Verbindung für das Gaszufuhrsystem und eine Möglichkeit, mit der das Pulver während des Betriebs automatisch nachgefüllt werden kann. Und trotz alle Fährnisse gelang es dem Team, eine Maschine zu bauen, die fast industrietauglich anmutet, wie man betont. Das Team sieht nun außer dem konkreten Einsatz für Raketen (man denke an das System Aris) und generell für die Raumfahrtindustrie auch Anwendungsmöglichkeiten in anderen Bereichen – etwa für den Flugzeug- oder Gasturbinenbau sowie für Komponenten von Elektromotoren, bei denen ringförmige Geometrien ebenfalls charakteristisch sind. Aufgrund der Neuartigkeit und des hohen wirtschaftlichen Verbesserungspotenzials hat die ETH für die rotierende Multimetall-Laserschmelztechnik auch ein Patent angemeldet. Inzwischen ist die Innovation auch für den ETH Spark Award nominiert.

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