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GE und EADS drucken Teile für Flugzeuge
GIB MAL eröffnet ein neues Labor in seiner globalen Forschungszentrale in Niskayuna, New York, das sich der Umwandlung der dreidimensionalen Drucktechnologie in ein praktikables Mittel zur Herstellung funktionaler Teile für eine Reihe seiner Geschäftsbereiche widmet, einschließlich des Gesundheitswesens und der Luft- und Raumfahrt. Das Unternehmen möchte das Potenzial der Technologie nutzen, um Teile leichter, leistungsfähiger und kostengünstiger herzustellen als Teile, die mit herkömmlichen Fertigungstechniken hergestellt werden.
Leichtere Last: Ein herkömmliches Scharnier für die Abdeckung eines Düsentriebwerks (oben) könnte durch das filigranere unten ersetzt werden, das genauso stark ist, aber nur die Hälfte wiegt. Das neue Design von EADS wird durch dreidimensionale Drucktechnologie praktisch gemacht.
Die Technologie zum Drucken dreidimensionaler Objekte existiert seit Jahrzehnten, ihre Anwendung beschränkte sich jedoch weitgehend auf Neuheiten und spezielle Sonderanfertigungen, wie beispielsweise die Herstellung personalisierter Prothetik. Aber die Technologie hat sich inzwischen so weit verbessert, dass diese Drucker komplizierte Objekte aus haltbaren Materialien herstellen können, einschließlich Keramik und Metallen wie Titan und Aluminium, mit einer Auflösung im Bereich von mehreren zehn Mikrometern.
Infolgedessen haben Unternehmen wie GE und der europäische Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtriese EADS arbeiten daran, es in Situationen einzusetzen, die eher der konventionellen Fertigung ähneln, in denen große Stückzahlen des gleichen Teils benötigt werden.
Die erste Anwendung der Technologie durch GE könnten Ultraschallgeräte sein, die billiger sind und eine bessere Leistung erbringen als aktuelle Versionen. Einer der teuersten Teile eines Ultraschallgeräts ist das Gerät, das elektronische Signale in Schall und wieder zurück umwandelt – der Teil, der während eines Ultraschalls gegen die Haut einer Person gepresst wird. Diese Wandler bestehen aus Tausenden winziger Säulen mit einem Abstand von nur 30 bis 40 Mikrometern, wobei jede Säule extrem dünn ist, etwa acht- bis zehnmal höher als sie breit sind. Es ist äußerst schwierig, solche Teile durch Gießen herzustellen, da es schwierig ist, das Teil aus der Form zu lösen. Daher stellt GE sie mit einem präzisen Schneidwerkzeug her, das sehr langsam ein Stück Keramik abschneidet. Das Verfahren ist langsam und teuer und kann nur verwendet werden, um einen begrenzten Bereich von Formen herzustellen.
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GE und EADS Laserdruckverfahren
Jetzt hat GE eine neue Drucktechnologie entwickelt, die eine dünne Schicht einer Aufschlämmung aus Keramik verteilt, die in einen Polymervorläufer eingebettet ist. Wenn ein Muster aus ultraviolettem Licht auf diese Schicht projiziert wird, verfestigt sich das Material nur dort, wo es dem Licht ausgesetzt war. Darauf wird eine weitere Schicht Gülle ausgebreitet und mit Licht besprüht und so Schicht für Schicht die Struktur aufgebaut.
Das Verfahren sei noch nicht serienreif, sagt Prabhjot Singh, Maschinenbauingenieur und Projektmanager bei GE Research. Aber weil der Prozess schneller ist und Material spart, könnten die Kosten um Größenordnungen gesenkt werden, sagt er. GE-Konstrukteure, die das neue Verfahren verwenden, könnten die Leistung des Wandlers verbessern, da sie nicht so eingeschränkt sind in der Art der Formen, die sie herstellen können. Dies könnte zu Ultraschall mit höherer Auflösung führen.
GE prüft auch die Möglichkeit, einige Flugzeugteile zu drucken, eine Strategie, die auch EADS kürzlich verfolgt hat. In den EADS-Labors in Filton, Großbritannien, demonstrierten Forscher, dass sie mehrere verschiedene Metallteile für Flugzeuge mit einer Technologie drucken können, bei der Metallpulver mithilfe eines Lasers erhitzt werden, bis sie feste Metallformen bilden. Mit dieser Technik hat EADS Metallscharniere für Motorabdeckungen bedruckt: Die Scharniere ermöglichen das Aufschwenken der Abdeckungen für die Motorwartung. Die Teile haben komplizierte Formen, die die Festigkeit beibehalten und gleichzeitig das Gewicht des Teils halbieren. Das neue Scharnier wurde den Tests für konventionelle Teile unterzogen und hat gezeigt, dass es die Leistungsanforderungen erfüllt. Gewichtseinsparungen sind in der Luft- und Raumfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung. Laut EADS kann eine Reduzierung des Gewichts eines Flugzeugs um nur ein Kilogramm zu einer Treibstoffeinsparung von 3.000 US-Dollar pro Jahr oder 100.000 US-Dollar über 30 Jahre führen – die typische Lebensdauer eines Flugzeugs.
Allerdings ist die Technik noch begrenzt. Viele funktionale Metalllegierungen lassen sich zwar drucken, die Hochleistungslegierungen für den Motorinnenraum lassen sich auf diese Weise noch nicht herstellen (solche Teile erfordern eine nicht erreichbare genaue Temperaturkontrolle der Materialien bei der Verarbeitung noch im Druck). GE wird die neue Technologie verwenden, um Triebwerksteile – wie Turbinenschaufeln – auszudrucken, jedoch nur zum Testen bestimmter Eigenschaften eines Designs, wie seiner Aerodynamik, und nicht seiner Fähigkeit, hohen Temperaturen und Drücken standzuhalten. Singh sagt, dass dies dazu beitragen könnte, den Konstruktionsprozess zu beschleunigen, indem es ermöglicht, ein hochpräzises Teil in Wochen statt Monaten zu bauen.
Die andere Haupteinschränkung der Technologie ist die Größe der Objekte, die gedruckt werden können. Je nach Material und Drucker ist es möglich, Dinge von wenigen Zentimetern Durchmesser bis maximal einen Meter zu drucken. Das Drucken von Flügeln oder Teilen für einige der großen Kraftwerksturbinen von GE ist immer noch nicht möglich. Und es gibt einige Dinge, die wahrscheinlich nie mit dreidimensionalem Druck hergestellt werden. Es wird niemals verwendet, um etwas wie Nägel herzustellen. Aber irgendwann könnte es verwendet werden, um die Werkzeuge herzustellen, die Nägel herstellen, sagt Jonathan Meyer, ein Forschungsteamleiter bei EADS Innovation Works.