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Russische Forscher entwickelen kosteneffektives Verfahren zur Herstellung von Metallpulver für 3D-Druck von Flugzeugteilen

Eine Gruppe von Wissenschaftlern der National University of Science and Technology MISiS, eine technische Universität in Russland, (NUST MISIS) hat ein hocheffizientes und wirtschaftliches Verfahren entwickelt, um Ausgangswerkstoffe für die additive Fertigung herzustellen – kugelförmiges Verbundpulver aus Titan/Aluminium. Dadurch werden Materialkosten eingespart, und Hersteller können kostengünstiger produzieren und einfacher kompakte, komplex geformte Produkte für die Luft- und Raumfahrtbranche anfertigen. Die Ergebnisse der Studie sind in Metallurgical and Materials Transactions B (2019) erschienen.

Der 3D-Druck hat sich in der Luft- und Raumfahrtbranche als fester Trend etabliert. Bei der Herstellung von Teilen für Flugzeuge und Raumfahrzeuge werden zunehmend intermetallische Titan-Aluminium- und Titan-Nickel-Verbindungen (Verbundstoffe aus zwei Metallen) verwendet. 3D-Produkte aus diesen Werkstoffen zeichnen sich durch eine geringe Dichte, hohe Festigkeitseigenschaften und hohe Hitzebeständigkeit aus und können komplexe geometrische Formen besitzen. Relativ einfach und kostengünstig produzierte Verbundpulver tragen maßgeblich zum kosteneffektiven 3D-Metalldruck bei.

“Qualitativ hochwertige Vorstufenpulver werden für die 3D-Serienfertigung von Teilen für Raketen und Flugzeuge sowie ein einfaches, hocheffektives und kostensparendes Herstellungsverfahren benötigt. Die großtechnische Einführung von Anlagen für den 3D-Metalldruck in der heimischen Industrie wird in erster Linie durch die hohen Kosten der Ausgangswerkstoffe gebremst. Daher kann immer noch nicht wirtschaftlich produziert werden. Die Entwicklung eines kosteneffektiven Verfahrens zur Gewinnung qualitativ hochwertiger Metallpulver ist unser Hauptziel”, sagt Andrey Nepapushev, Ph.D., Mitglied der Forschergruppe und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Research and Development Center of Functional Nanoceramics der NUST MISIS.

Die Wissenschaftler haben es geschafft, die Herstellung von Pulvern für den 3D-Druck zu vereinfachen. Dies wurde mit einer einzigartigen Kombination von Planetenmühlenmodi erreicht, bei der durch intensive mechanische Bearbeitung Verbundpulver gewonnen wurden, die aus kugelförmigen Partikeln bestehen (sowohl Titan als auch Aluminium). Das “halbfertige” Produkt kann direkt in einen 3D-Laserdrucker gegeben werden. Dort kommt es zu einer Reaktion der Metalle, die unmittelbar während des Druckvorgangs bei einer Temperatur von ca. 650 Grad eine hitzebeständige intermetallische Verbindung bilden.

Nach Aussage der Wissenschaftler ist die Nutzung einer Planetenmühle für diesen Zweck eine Weltneuheit. Das Laborverfahren ist für die Produktion geeignet, da heimische Hersteller über die industriellen Pendants einer Planetenmühle verfügen.

Der Einsatz gebrauchsfertiger intermetallischer Verbindungen für den 3D-Druck erfordert ein vorgelagertes Gießverfahren und spezielle Technologien und verbraucht sehr viel Energie. Zur Gewinnung des Pulvers muss die heiße Schmelze mit einem Gas-, Wasser- oder Plasmastrahl “besprüht” werden, was die Produktion zusätzlich verkompliziert und verteuert.

“Als Ausgangswerkstoff für unsere Experimente dienten Pulver aus Titan, Aluminium und Nickel, die in einer Planetenmühle intensiv maschinell bearbeitet wurden. Das experimentelle Verfahren hat die Gewinnung von Vorstufenpulvern erheblich vereinfacht und verbilligt. Zudem konnte der Energieverbrauch des 3D-Drucks um 20 % gesenkt werden. Demgemäß kann beim Schmelzvorgang während des Druckens auf hohe Laserenergie verzichtet werden”, ergänzt Andrey Nepapushev.

Die Forschergruppe hat die Optimierung der Vorstufenpulververbindungen abgeschlossen und damit begonnen, die ersten Prototypen aus den gewonnenen Pulvern anzufertigen.

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