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Hitzebeständige Keramikteile sind jetzt 3D-druckbar
Das Versprechen der additiven Fertigung oder des 3-D-Drucks – eine schnellere und kostengünstigere Herstellung anpassbarer Teile – wird durch die Palette der druckbaren Materialien begrenzt, die bisher hauptsächlich Polymere und einige Metalle umfasste. Jetzt können wir Keramiken hinzufügen, eine wichtige Materialklasse, deren hohe Festigkeit und Beständigkeit gegen Hitze, chemische Zersetzung und Reibung sie für den Einsatz in der Militär- und Luft- und Raumfahrtindustrie attraktiv machen, von Außenteilen für Flugzeuge bis hin zu kleinen Komponenten für Raketen.
Ein Keramiklaufrad im Millimetermaßstab, eine rotierende mechanische Komponente, die zur Übertragung der Bewegung einer Flüssigkeit in Pumpen und Turbinen verwendet wird.
Dank eines materialwissenschaftlichen Tricks gezeigt von Forschern an HRL-Labors können Ingenieure jetzt mithilfe der additiven Fertigung schnell kundenspezifische, komplizierte Keramikteile bauen, die alle diese attraktiven Eigenschaften gleichzeitig nutzen.
Es ist eine Herausforderung, Keramik zu langlebigen Teilen zu verarbeiten, insbesondere solche mit komplexen Formen. Die Materialien sind nicht kompatibel mit herkömmlichen Fertigungstechniken wie maschineller Bearbeitung und Gießen, und die typische Methode beinhaltet die Verwendung von Wärme, um Pulver zu verfestigen und feste Formen aufzubauen. Dieser Ansatz, der auch in der additiven Fertigung verwendet werden kann, ist jedoch nicht sehr zuverlässig und führt häufig zu Fehlern, die zu Rissen und Brüchen führen können.
Ein keramischer Korkenzieher mit einer Länge von etwas mehr als 20 Mikrometern veranschaulicht die feine Auflösung, die durch stereolithografischen 3-D-Druck möglich ist.
Die Forscher von HRL Labs haben dies umgangen, indem sie ein neues druckbares Harz aus sogenannten präkeramischen Polymeren entwickelt haben, das durch Erhitzen bei hohen Temperaturen in Keramik umgewandelt werden kann. Sie zeigten, dass das neue Harz mit einer beliebten additiven Fertigungstechnik namens Stereolithographie kompatibel ist, bei der ein Laserstrahl verwendet wird, um Strukturen Schicht für Schicht aus einem flüssigen Polymer aufzubauen. Die Forscher zeigten auch, dass es mit einer speziellen Technik funktioniert, die ultraviolettes Licht und gemusterte Masken verwendet, um komplexe 3-D-Strukturen wie Gitter 100- bis 1.000-mal so schnell wie herkömmliche Stereolithographie aufzubauen. Nach dem Drucken erhitzten die Forscher die Teile, um sie in Keramik umzuwandeln, und demonstrierten ihre beeindruckenden mechanischen Eigenschaften.
Ein gebogenes Keramikgitter veranschaulicht die Fähigkeit, komplizierte Strukturen in unkonventionellen Formen herzustellen.
Zwei Klassen nützlicher Keramikteile – große, sehr leichte Gitterstrukturen, die in hitzebeständigen Platten und anderen Außenteilen für Flugzeuge und Raumfahrzeuge verwendet werden könnten, und kleine, komplizierte Teile zur Verwendung in elektromechanischen Systemen oder in Komponenten von Strahltriebwerken und Raketen – sind dank des neuen Ansatzes jetzt druckbar, sagt Tobias Schaedler, leitender Wissenschaftler von HRL Labs, der die Forschung leitete.
Eine 3D-gedruckte Vorderkante oder der Teil eines Flugzeug- oder Raumfahrzeugflügels, der zuerst die Luft berührt. Die Flächen des Teils schließen eine Gitterstruktur ein.
Laut Schaedler hat die Gruppe jetzt Mittel von DARPA, die diese Forschung ebenfalls unterstützt haben, um die neue Technik zur Entwicklung einer keramischen Aeroshell zu verwenden, im Wesentlichen ein Schild, das Raumfahrzeuge oder Hyperschallflugzeuge vor Hitze, Druck und Trümmern schützt. Keramische Schäume sind aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften für diese Anwendung attraktiv, aber ihre schlechten mechanischen Eigenschaften machen sie für den Einsatz in tragenden Strukturen weitgehend ungeeignet, sagt Stefanie Tompkins, Direktorin des Defence Sciences Office der DARPA. Von HRL Labs hergestellte keramische Gitterstrukturen sind 10-mal stärker als handelsübliche Schäume.