University of Arizona: 1,2-Millionen-Dollar-Projekt zum 3D-Druck von Teilen für Hyperschallflugzeuge

Zwei Professoren der University of Arizona entwickeln neue Materialien für den 3D-Druck von Objekten, die den bei Hyperschall-Geschwindigkeiten entstehenden Temperaturen standhalten. Mit einem Zuschuss von 1,2 Millionen Dollar aus dem Defense University Research Instrumentation Program des Office of Naval Research wird eine Reihe neuer Geräte finanziert, die die Arbeit unterstützen und zum Arizona Research Center for Hypersonics beitragen sollen.

Nicht jedes Material und nicht jede Form kann der fünffachen Schallgeschwindigkeit und höheren Geschwindigkeiten standhalten. Aber in einer Zeit, in der Hyperschallfähigkeiten für die nationale Verteidigungsstrategie immer wichtiger werden, entwickeln zwei Professoren der University of Arizona neue Materialien für den 3D-Druck von Objekten, die diesen hohen Geschwindigkeiten standhalten. Mit einem Zuschuss in Höhe von 1,2 Millionen Dollar aus dem Defense University Research Instrumentation Program des Office of Naval Research wird eine Reihe neuer Geräte finanziert, die die Arbeit unterstützen und zum Arizona Research Center for Hypersonics beitragen sollen.

Hohe Hitze und hohe Festigkeit

Der 3D-Druck bzw. die additive Fertigung bietet eine viel größere Designflexibilität als die herkömmliche Fertigung und ermöglicht die Herstellung präziser Geometrien, die sonst nicht möglich sind. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für den Hyperschallflug, z. B. die Integration von Kühlrohren direkt in die Struktur eines Fahrzeugs. Bei der additiven Fertigung stellen Wissenschaftler oder Ingenieure ein Material in Form eines Pulvers her und drucken ein Design, indem sie das Pulver Schicht für Schicht schmelzen. Traditionelle Herstellungsverfahren sind etwas grober.

“Beim Schmieden zum Beispiel nimmt man ein Stück Metall, erhitzt es und presst es in die gewünschte Form”, sagt Andrew Wessman, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen an der UArizona. “Wenn man versucht, das gleiche Material zu nehmen, kann man es zu Pulver verarbeiten und damit drucken. Es lässt sich zwar gut drucken, aber es ist nicht wirklich optimal.

Bislang haben die meisten Spezialisten für die additive Fertigung von Metallen Metalllegierungen verwendet, die ursprünglich für herkömmliche Fertigungsverfahren entwickelt wurden. Die Legierung Inconel 718 beispielsweise, die in den 1950er Jahren speziell für das Schmieden entwickelt wurde, enthält eine Mischung aus Elementen wie Nickel, Chrom und Eisen, die ihr maximale Festigkeit verleihen soll. Sie enthält jedoch auch einige Elemente, die dazu führen, dass das Material bei der Verarbeitung durch additive Fertigung spröde wird.

Wessman und Sammy Tin, Leiter der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik am College of Engineering, werden neuartige Metalllegierungen entwickeln, die für den Einsatz im additiven Fertigungsprozess optimiert sind und den extremen Bedingungen des Hyperschallflugs, insbesondere hohen Temperaturen und Belastungen, standhalten.

Der richtige Ort und das richtige Team

Mit dem Zuschuss des Office of Naval Research wird eine Reihe von Instrumenten finanziert, darunter ein Pulverbettfusionssystem zum Schmelzen und Verschmelzen von Pulvern, ein Gaszerstäubungssystem, mit dem geschmolzenes Flüssigmetall in ultrafeine Tröpfchen gesprüht werden kann, die zur Herstellung von Pulver verwendet werden, ein Vakuumofen für die Nachbearbeitung der 3D-gedruckten Objekte und ein Röntgendiffraktometer, mit dem die innere Struktur der 3D-gedruckten Objekte untersucht und charakterisiert werden kann.

“Durch die Kombination all dieser Komponenten verfügen wir über eine einzigartige Infrastruktur für die fortschrittliche Fertigung”, so Tin. “Wenn es uns gelingt, Materialien und Legierungen zu entwickeln, die speziell für den 3D-Druck geeignet sind, können wir die chemische Zusammensetzung der Legierungen so anpassen, dass sie Eigenschaften aufweisen, die den 3D-Druck erleichtern oder erleichtern.”

Aufgrund der Reibung sind Objekte, die sich mit Hyperschallgeschwindigkeit fortbewegen, Temperaturen von bis zu 5.000 Grad Celsius ausgesetzt. Daher ist die Hitzebeständigkeit eine der wichtigsten Eigenschaften der Legierungen, die das Team entwickeln wird. Die Materialien müssen auch gegen Oxidation und andere Abnutzungsprozesse beständig sein.

Tin und Wessman halten zusammen über ein Dutzend Patente im Bereich der Legierungsentwicklung. Sie befinden sich außerdem in einer ausgezeichneten Lage, um mit anderen Experten zusammenzuarbeiten, denn die UArizona beherbergt das Arizona Research Center for Hypersonics. Forscher aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau arbeiten an Projekten wie Hochgeschwindigkeits-Windkanalexperimenten und der Charakterisierung von Hyperschallumgebungen. Roberto Furfaro, Professor für System- und Wirtschaftsingenieurwesen, erhielt vor kurzem ein Stipendium des University Consortium for Applied Hypersonics für die Entwicklung verbesserter Leit-, Navigations- und Kontrollsysteme für autonome Fahrzeuge, die mit Hyperschallgeschwindigkeit fahren. Erica Corral, Professorin für Materialwissenschaft und -technik, ist die Expertin der Universität für Ultrahochtemperatur-Keramik, die für den Einsatz unter Hyperschallbedingungen ausgelegt ist.

Keramik ist hitzebeständiger als Metall, weshalb Hyperschallfahrzeuge oft mit speziellen Keramiken beschichtet werden, die ultrahohen Temperaturen standhalten können. Die Fahrzeuge bestehen jedoch größtenteils aus Metall, das weniger spröde ist und mechanischen Belastungen besser standhalten kann.

“Unter der Keramik muss sich Metall befinden”, so Tin. “Wenn wir die Temperaturbeständigkeit dieser metallischen Strukturen verbessern können, bietet das erhebliche Vorteile für Design und Leistung”.

Während sich die Arbeit des Teams zunächst auf die Herstellung von Materialien für Hyperschallumgebungen konzentriert, kann die Forschung auch auf andere Bereiche angewandt werden, beispielsweise auf die Herstellung von Hochleistungskomponenten für Düsen- und Raketentriebwerke.

“Hyperschallflug und Weltraumforschung gehören zu den größten Stärken unserer Universität, und beide erfordern Materialien, die extremen Bedingungen standhalten können”, sagte Robert C. Robbins, Präsident der University of Arizona. “Ich bin stolz darauf, dass Fakultätsmitglieder wie Sammy Tin und Andrew Wessman in diesem kritischen Bereich arbeiten und das bereits beeindruckende Profil der Universität von Arizona im Bereich der fortgeschrittenen Fertigung weiter schärfen.”

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