Forscher stellen Molybdänkomponenten mit 3D Druck her

Pekinger Forscher suchen nach besseren Möglichkeiten, die Ionenoptik zu qualifizieren und Molybdänkomponenten durch additive Fertigung herzustellen. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in „3D Printed molybdenum for grids and keeper electrodes in ion thruster“ veröffentlicht.

Die Hauptbestandteile von Ionenstrahlrudern sind die Ionenoptik und der Halter, wobei die Optik eine Hauptrolle in der Geometrie des Motors spielt. Ihre Erosion schränkt jedoch die Lebensdauer von Ionenstrahlrudern ein. Der Keeper soll die Hohlkathode vor Ionenbeschuss schützen, wodurch sich die Kathodenentladung einschaltet. Dabei werden sowohl Metall als auch Materialien aus Kohlenstoff verwendet, die normalerweise zur Herstellung der erforderlichen Elektroden verwendet werden. Molybdän ist ein übliches Metallmaterial, das für die Ionenoptik und die Herstellung von Schutzvorrichtungen verwendet wird.

„Unter Materialien auf Kohlenstoffbasis, deren CTE (Wärmeausdehnungskoeffizient) nahezu Null ist und deren Zerstäubungsausbeute niedriger als die von Molybdän ist, ist Graphit aufgrund seiner Erschwinglichkeit und des hohen Verständnisses der Industrie für seine Herstellungsmethoden die herkömmliche Option. Obwohl pyrolytischer Graphit und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe auch mehrfach für Ionenoptiken verwendet wurden, die auf bedeutenden Triebwerken installiert sind, “erklären die Forscher.

Um die Herstellung von Ionenoptiken zu rationalisieren, führte das Beijing Institute of Technology eine Studie zum 3D-Druck von Molybdän für elektrische Triebwerksteile durch. Es war erfolgreich und befindet sich noch in der Entwicklung, nachdem es bereits mehrere gesunde Elektrodensätze hergestellt hat. Die Forscher entschieden sich für das selektive Laserschmelzen (SLM) für das Projekt, hauptsächlich aufgrund seiner Fähigkeiten im Metalldruck – aber auch aufgrund der gebotenen Genauigkeit und insbesondere für Luft- und Raumfahrtanwendungen. Übliche Metallmaterialien sind Titan, Aluminium und Edelstahl.

In einem Forschungsprojekt am BIT wurden mehrere zuvor in Titan gedruckte 3D-Ionenoptiken entwickelt, um das Konzept der additiv hergestellten Ionenoptik weiter zu untersuchen. In einer weiteren Studie wurde die Energiedichte gemessen.

Molybdänkomponenten wurden über SLM gedruckt, und die Forschung wurde fortgesetzt, als sie beschlossen, die Materialien für die Ionenoptik für die Montage an Ionenquellen im zu testenden Labor zu verwenden.

„Mehrere Sätze von Raster- und Beschleunigergittern wurden bei verschiedenen Herstellungsprozessen gedruckt und die Ergebnisse wurden untersucht, um zu überprüfen, ob die SLM-Ausrüstung in der Lage war, Optiken mit der gewünschten Dicke herzustellen und das Aperturarray korrekt zu positionieren. Die Gitter wurden untersucht und es wurde festgestellt, dass sie den Designanforderungen entsprachen“, so die Autoren.

Der 3D-Druck der Halter befindet sich noch in der Entwicklungsphase, obwohl nach Angaben der Forscher „bislang keine Herausforderungen aufgetreten sind.“ Da weder die Optik noch der Halter „besonders gefragte Komponenten“ sind, ist es nicht erforderlich, dass SLM eingesetzt wird, da Molybdän die gleichen mechanischen Eigenschaften, die sie von festem Metall erwarten würden bietet.

 „Es wurde gezeigt, dass sich sowohl die mechanischen als auch die thermischen Eigenschaften von SLM-Molybdän denen des festen Metalls annähern, wenn die während des Herstellungsprozesses aufgebrachten Energiedichten nahe an die maximale Energiedichte heranreichen, um das feuerfeste Material zu erzeugen, dh für Werte von etwa 300 Jmm⁻³ . Diese Tatsache hängt mit der Porosität des Outputs zusammen, die mit zunehmender Energiedichte abnimmt“, folgerten die Forscher. “Das Sputter-Erosionsverhalten von selektiv lasergeschmolzenen Materialien wurde noch nicht bewertet. Es sollte jedoch untersucht werden, bevor sich additiv hergestellte Komponenten für echte elektrische Antriebsanwendungen qualifizieren können.”