3D-Druck mit HelixJet Plasma-Herstellungsverfahren

Während der 3D-Druck heutzutage viele verschiedene Formen annimmt, erforschen Forscher aus Großbritannien und Deutschland mit dem HelixJet, einem kapazitiv gekoppelten Hochfrequenzplasma mit einer Doppelhelix-Elektrodenkonfiguration, einen neuen Blickwinkel. Die Forscher skizzierten ihre Studie im kürzlich veröffentlichten “HelixJet: An innovative plasma source for next-generation additive manufacturing (3D printing)” und vergleichen das Lasersintern (LS) mit ihrer neuen Methode zum Schmelzen von Pulver für die digitale Herstellung mithilfe eines Plasmas Jet unter Verwendung von spiralförmigen Filamenten, die sich gemäß dem Winkel oder der “Helizität” des Materials drehen können.

Der HelixJet ist ein kapazitiv gekoppeltes Hochfrequenzplasma mit einer Doppelhelix-Elektrodenkonfiguration, die bei niedrigen Durchflussraten von Argon und seinen Gemischen bei atmosphärischem Druck ein überraschend stabiles und homogenes Glimmplasma erzeugt. Der HelixJet wurde an drei Polyamidpulvern getestet, die üblicherweise zur Herstellung von Teilen durch Lasersintern, einem pulverbasierten AM-Verfahren, zur Bildung lokaler Ablagerungen verwendet werden. Die chemische Zusammensetzung solcher plasmadruckten Proben wird mit thermisch hergestellten und lasergesinterten Proben verglichen, um Unterschiede in der Morphologie zu ermitteln, die sich aus den unterschiedlichen thermischen Zyklen auf mehreren Längenskalen ergeben. Plasmadrucke weisen einzigartige Merkmale auf, die auf die Nichtgleichgewichtschemie und den schnellen Wärmeaustausch zurückzuführen sind.

Die neue HelixJet-Plasmaquelle wurde verwendet, um PA 12 -Pulver bei Atmosphärendruck mit Abscheidungsraten von 200 mg/s abzuscheiden, was zu teilweise geschmolzenen Pulvern und stark miteinander verbundenen Partikeln in den Abscheidungen führte. Eine Begrenzung des Pulverpartikelstrahls im Zentrum des Strahls wurde durch die laminare Gasströmung, die Entladungsstabilität und durch ein radial und axial homogenes Plasma erreicht. Diese Bedingungen führten zu einem Gaußschen Dickenprofil von Einzeldosisablagerungen auf der mm-Längenskala mit einer Kombination aus chemischen und morphologischen Strukturen, von denen erwartet wird, dass sie die mechanische Leistung verbessern.

Eine erste Annäherung an eine theoretische Beschreibung des HelixJet zeigte die moderaten Änderungen der Größe des elektrischen Feldes als Grund für die unerwartete Homogenität des etablierten Plasmas im Strahl auf. Die Modellierung der Erwärmung von Pulverteilchen zeigte, dass die Teilchen an ihrer Oberfläche die Schmelztemperatur erreichten, während ihr Kern etwas kälter blieb. Dies kann auch experimentell bestätigt und mit einem Selbstregulierungseffekt erklärt werden, bei dem das Überschreiten der Schmelztemperatur und die erhöhte Verdampfung das Plasma löschen und die Partikeltemperatur unter die Schmelztemperatur senken würden.

Die Kombination von HelixJet mit Laserstrahlmanipulation könnte die Präzision, Geschwindigkeit und kontrollierte Materialstrukturierung von mikroskopisch bis makroskopisch verbessern, was für viele Anwendungen von großer Bedeutung ist.