University of Pittsburgh bekommt Metall 3D-Drucker von Gefertec

Versteckt im Untergeschoss der Benedum Hall von Pitt, hinter den Rennwagenteilen, die sich in den Gängen tummeln, steht eine riesige Maschine, die wie eine Mischung aus einer Autowerkstatt und der Eingangstür eines Science-Fiction-Raumschiffs aussieht. Es ist ein hochmoderner 3D-Drucker für Metall – der erste Gefertec arc605 an einer Universität in den USA.

Für die Herstellung großer, spezieller Metallteile ist die Maschine unschlagbar, sagt Albert To, William Kepler Whiteford Professor an der Swanson School of Engineering und Experte für 3D-Druck.

“Selbst in der Größenordnung von einigen Dutzend Teilen ist dies sehr vorteilhaft”, sagte er. “Und wenn man eine gewisse Komplexität einbeziehen will, dann geht es nicht anders als mit dem 3D-Druck.”

Der Drucker macht sich das Schweißen zunutze, indem er Draht aus Metallen wie Edelstahl, Titan und Aluminiumlegierungen schmilzt und Schicht für Schicht aufträgt. Frühere Metall-3D-Drucker im Labor, die Laser und Metallpulver verwenden, konnten einige hundert Gramm pro Stunde auftragen; dieser Drucker ist um eine Größenordnung schneller.

Dadurch eignet sich der Gefertec-Drucker ideal für die Herstellung größerer Teile, die normalerweise gegossen und mit Werkzeugen versehen werden müssten – ein teures Verfahren, das für die Herstellung von Kleinserien und Spezialanfertigungen oft nicht praktikabel ist. Eines der ersten Projekte von To ist zum Beispiel die Herstellung eines drei Fuß langen Brückengelenks für die US-Armee, das nicht mehr hergestellt wird.

Die Technologie gibt es zwar schon seit Jahrzehnten, aber erst in den letzten Jahren ist sie zuverlässig genug geworden, um weithin Beachtung zu finden.

“Plötzlich ist das Interesse in der Industrie sehr groß”, so To, unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, der Kernkraft sowie der Öl- und Gasindustrie.

Dank der fortschrittlichen Software und der “Fünf-Achsen”-Fähigkeiten der Maschine, bei denen die Teile während des Drucks gedreht und gekippt werden können, lassen sich mit ihr komplexe Metallteile herstellen. Aber es gibt noch viele Probleme, die gelöst werden müssen. Zum Beispiel verziehen sich Metalle beim Erhitzen und Abkühlen, ein Prozess, den To mit dem neuen Drucker mit finanzieller Unterstützung der US-Armee und des Energieministeriums untersuchen will.

Xavier Jimenez, ein Doktorand im dritten Jahr in Tos Labor, entwickelt ein Verfahren für den 3D-Druck mit einer neuen Art von hochfestem Aluminium, das potenzielle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt hat, aber beim Schweißen zu Rissen neigt.

“Man muss all diese verschiedenen Parameter aufeinander abstimmen, um herauszufinden, was die beste Schweißnahtqualität ergibt”, so Jimenez. “Jedes Material verhält sich ein wenig anders.”

Jimenez kam unter anderem deshalb nach Pitt, weil er mit dem Gefertec arc605 arbeiten wollte, aber COVID-19 machte ihm einen Strich durch die Rechnung, und es dauerte drei Jahre, bis der Drucker seinen Weg nach Pitt fand. Das Gerät ist größer als manche Studiowohnung, und als es ankam, musste es Stück für Stück mit einem Kran in das Labor gebracht und dann montiert werden.

Nachdem die Installation abgeschlossen war, testet das Team nun die Parameter für den 3D-Druck verschiedener Metalle. Durch das Testen des Ansatzes für verschiedene Metalle und die anschließende Verwendung von Röntgenstrahlen und die Prüfung der Materialeigenschaften können sie beginnen, zu modellieren, wie sich der Prozess auf ein Teil auswirkt – von sichtbaren Verformungen bis hin zu Veränderungen der mikroskopischen Struktur des Materials.

Darüber hinaus arbeitet To zusammen mit Kollegen an der Entwicklung intelligenter Komponenten, bei denen Glasfaserkabel in 3D-gedruckte Metallteile eingebettet werden, um die Temperatur und Verformung des Teils zu messen.

“Es war eine Menge Arbeit, alle Teile zusammen zu bekommen, um die Maschine zum Laufen zu bringen”, sagte Jimenez. “Wir sind sehr froh, dass sie jetzt da ist.”

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