Studenten der Rice University entwickeln günstigen 3D-Drucker für Metall im Kaltgasspritzverfahren

Eine Gruppe von Studenten der Rice University hat einen Metall-3D-Drucker auf Basis der Kaltgasspritz-Technologie entwickelt. Ihr Drucker nutzt Druck und Geschwindigkeit anstelle von Hitze, um Metallbauteile herzustellen. Mit ihrer Arbeit könnten sie das Repertoire der metallischen Additivfertigungstechniken erweitern und sowohl die Kosten senken als auch die Qualität bei der Fertigung oder Reparatur komplexer Einzelstücke aus Metall verbessern.

Das Team AeroForge – bestehend aus Eli Case, Julianna Dickman, Garrett French, Galio Guo, Douglas Hebda, Grant Samara, Davis Thames und Aasha Zinke – demonstrierte die Funktionstüchtigkeit ihres Prototyps, indem sie erfolgreich Kupfer auftrugen. Das Projekt gewann einen Excellence in Capstone Engineering Award und den ersten Platz beim Willy Revolution Award for Outstanding Innovation auf der jährlichen Huff OEDK Engineering Design Showcase am 11. April.

Traditionelle Metall-3D-Drucker verwenden in der Regel einen Laser zum Aufschmelzen von Metallpulver in eine bestimmte Form. Das Schmelzen kann jedoch die Eigenschaften des Produkts stark beeinflussen. Aasha Zinke erklärt: “Die von uns eingesetzte Kaltgasspritz-Technologie nutzt stattdessen Geschwindigkeit anstelle von Hitze und beschleunigt Metallpartikel so stark, dass sie auf einem Substrat anhaften und sich verformen.”

Kostengünstiger Metall 3D-Drucker

Viel Arbeit steckte das Team in die Kostensenkung, da herkömmliche Metall-3D-Drucker über 1 Million US-Dollar kosten können. AeroForge baute ihren Prototypen für unter 5.000 US-Dollar. “Eine unserer großen Innovationen ist die enorme Verbilligung des Systems”, sagte Samara. Viele Teile wurden hausintern gefertigt, andere wie die patentierte Düse erforderten neue Fertigungsverfahren.

Das Gerät ist für die Herstellung und Reparatur von Metallteilen mit komplexer Struktur geeignet, etwa für Komponenten in Industrieanlagen, Fahrzeugen oder Flugzeugen. Branchen mit Metallkomponenten wie Automobilbau, Öl- und Gasindustrie oder Verteidigung können durch Lieferkettenunterbrechungen hohe Verluste erleiden. Das Team hofft daher, mit seinem kostengünstigen Gerät eine praktikable Alternative zum Fertigen oder Reparieren von Teilen auf Abruf zu bieten.

Im Vergleich zum Schweißen hat die Kaltgasspritz-Technologie Vorteile: “Normalerweise kann man beim Reparieren von Metallteilen nur Material entfernen”, sagte Thames. “Mit diesem Verfahren können wir jedoch Material aufbauen und anschließend abfräsen. Außerdem vermeiden wir so ungleichmäßige Materialeigenschaften, die beim Schweißen aufgrund unterschiedlicher Schmelztemperaturen auftreten können.”

Das System besteht aus einem Gastank für Stickstoff, Ventilen, Druck- und Temperaturüberwachung, einem Druckbehälter zum Aufheizen des Gases auf 450°C, einer Pulverzuführung und einer maßgefertigten Düse. “Obwohl das Gas aufgeheizt wird, ist es ein Kaltgasspritzsystem, da das Gas in der Düse stark expandiert und schnell abkühlt”, erklärte Dickman. “Die Partikel schmelzen nie, sie sehen nie hohe Temperaturen – die Hitze dient nur zur Beschleunigung des Gases.”