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3d-gedruckte Mikro-Metallteile bringen Innovation ins All

Gymnasiasten erkennen das Potenzial der neuen additiven Fertigungstechnologie für die Herstellung hochkomplexer Mikroteile

Die Internationale Raumstation (ISS) bietet immense Möglichkeiten für die industrielle und wissenschaftliche Forschung. Seit dem Jahr 2000 nutzen Astronauten die besonderen Bedingungen wie das Vorhandensein permanenter Mikrogravitation für Experimente, die revolutionäre Ergebnisse liefern.

Eines der zahlreichen Experimentpakete, die 2023 auf der ISS gestartet werden sollen, befasst sich mit der Kapillarwirkung in der Mikrogravitation. Dieses Experiment fand seinen Ausgangspunkt im ISS-Forschungslaborprogramm an der Valley Christian High School in San José, USA.

Für das Experiment suchte das Studententeam nach einem Dienstleister, der Gitter im Millimeter-Maßstab herstellt, die für das Experiment zur Kapillarwirkung in der Schwerelosigkeit benötigt wurden. Das Ergebnis des Experiments sollte detaillierte Einblicke in die Auswirkung der Mikrogravitation auf die wasserabsorbierenden Eigenschaften von Gittern geben.

Die Herausforderung, eine Technologie zu finden, die für die Herstellung von Gittern mit Streben mit einem Durchmesser von nur 0,5 mm geeignet ist, war größer als erwartet, da das komplexe Design mit herkömmlichen Fertigungstechnologien nicht realisierbar war.

Die Herausforderung, eine Technologie zu finden, die für die Herstellung von Gittern mit Streben mit einem Durchmesser von nur 0,5 mm geeignet ist, war größer als erwartet, da das komplexe Design (Abb. 1) mit herkömmlichen Fertigungstechnologien nicht realisierbar war.

Diese Schwierigkeit war der erste Anstoß für die Schülerinnen und Schüler, über den Tellerrand zu schauen und sich mit innovativen Fertigungsmethoden auseinanderzusetzen. Die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, hat in den letzten Jahren immer mehr Aufmerksamkeit erregt und sich als innovative Fertigungstechnologie in zahlreichen Industriezweigen erwiesen. Sie ist vor allem für ihre Fähigkeit bekannt, Teile mit komplexem Design zu fertigen, und daher sahen die Studierenden darin eine Möglichkeit, die gewünschten Gitter durch AM herzustellen. Angesichts der Vielzahl etablierter und relativ neuer additiver Fertigungstechnologien stellt sich jedoch die Herausforderung, eine geeignete Technologie für diese Anwendung zu finden.

Eine zweite Herausforderung, mit der sich die Studenten auseinandersetzen mussten, bestand darin, dass das Material für die Gitter bestimmte Anforderungen erfüllen musste, da die Teile resistent gegen Vibrationen, niedrige Temperaturen und Hitze sein sollten. Da sich das Design nicht mit herkömmlichen 3D-Drucktechnologien für das Schmelzen von Metallen im Pulverbett und das Spritzen von Bindemitteln drucken ließ, mussten die Möglichkeiten der additiven Fertigung weiter untersucht werden.

Dies hielt die Studenten jedoch nicht davon ab, ihre Suche nach einer geeigneten Fertigungstechnologie aufzugeben, und so wurde die bereits industriell etablierte Mikro-SLA-Technologie (Stereolithografie) als geeignete Technologie zur Herstellung der Gitter identifiziert, da sie für ihre Fähigkeit bekannt ist, Mikroteile mit dünnen Strukturen aus Harz herzustellen. Da jedoch Metall das bevorzugte Material war, um alle erforderlichen Anforderungen zu erfüllen, fanden die Studenten eine andere Lösung. Sie entdeckten das Potenzial der relativ neuen Lithographie-basierten Metallfertigung (LMM), einer sinterbasierten additiven Fertigungstechnologie, die sich besonders für die Herstellung von Mikro-Metallteilen mit höchster Präzision eignet. Daraufhin wandten sie sich an den amerikanischen 3D-Druck-Dienstleister Qualified3D. Qualified3D hat eine Partnerschaft mit dem deutschen Unternehmen MetShape GmbH und ist dessen exklusiver Vertriebspartner in den USA. MetShape ist Mitentwickler der LMM-Technologie und verfügt über ein einzigartiges Know-how im Umgang mit der Technologie, deren Ausgangsmaterial eine Kombination aus Metallpulver und einem lichtempfindlichen Polymerbinder ist. Dieser sogenannte Feedstock wird auf eine Bauplattform aufgebracht und mittels Maskenbelichtung mit UV-Licht selektiv von oben vernetzt. Schicht für Schicht entsteht so ein Grünteil. Dieses Grünteil wird dann entbindert und gesintert. Die LMM-Technologie ermöglicht neue Anwendungen, die derzeit nicht wirtschaftlich herstellbar sind. Die Vorteile der Technologie liegen vor allem in der hohen Auflösung und Präzision sowie in der außergewöhnlichen Oberflächenqualität. Sie eignet sich besonders für filigrane Metallteile und Teile mit scharfkantigen Geometrien.

Sowohl Qualified3D als auch MetShape freuen sich, dass sie das ISS Research Lab Programm unterstützen konnten und somit dazu beitragen, dass ein innovatives Experiment auf der ISS realisiert werden kann.

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