Schicht nach Schicht

Die Teile in Düsentriebwerken müssen enormen Kräften und Temperaturen standhalten und sie müssen so leicht wie möglich sein, um Treibstoff zu sparen. Das bedeutet, dass ihre Herstellung komplex und kostspielig ist: Die Techniker von General Electric schweißen bis zu 20 separate Metallteile zusammen, um eine Form zu erreichen, die Kraftstoff und Luft in einer Einspritzdüse effizient mischt. Aber für einen neuen Motor, der nächstes Jahr auf den Markt kommt, ist GE der Meinung, dass es einen besseren Weg gibt, Einspritzdüsen herzustellen: durch Drucken.

Dazu zeichnet ein Laser die Form des Injektorquerschnitts auf einem Bett aus Kobalt-Chrom-Pulver nach und schmilzt das Pulver in eine feste Form, um den Injektor eine hauchdünne Schicht nach der anderen aufzubauen. Dies verspricht günstiger zu sein als herkömmliche Fertigungsverfahren und soll zu einem leichteren – also besseren – Teil führen. Die ersten Teile werden in Düsentriebwerke eingesetzt, sagt Prabhjot Singh, der ein Labor bei GE leitet, das sich auf die Verbesserung und Anwendung dieses und ähnlicher 3D-Druckverfahren konzentriert. Aber, fügt er hinzu, es gibt keinen Tag, an dem wir nicht von einer der anderen Divisionen von GE hören, die sich für den Einsatz dieser Technologie interessieren.

Diese Geschichte war Teil unserer Januar-Ausgabe 2012

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Diese Innovationen stehen an vorderster Front eines radikalen Wandels in der Fertigungstechnologie, der besonders für fortschrittliche Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt und Autos attraktiv ist. Die 3D-Drucktechniken machen es nicht nur effizienter, bestehende Teile zu produzieren. Sie werden auch die Herstellung von Dingen ermöglichen, die vorher nicht einmal vorstellbar waren – wie Teile mit komplexen, ausgehöhlten Formen, die das Gewicht minimieren, ohne an Festigkeit zu verlieren. Im Gegensatz zu Bearbeitungsprozessen, bei denen bis zu 90 Prozent des Materials auf dem Boden verbleiben können, hinterlässt der 3D-Druck praktisch keinen Abfall – eine große Überlegung bei teuren Metallen wie Titan. Die Technologie könnte auch die Lagerhaltung von Teilen reduzieren, da es genauso einfach ist, ein weiteres Teil – oder eine verbesserte Version davon – 10 Jahre nach der Herstellung des ersten Teils zu drucken. Ein Automobilhersteller, der Berichte über einen Ausfall eines Sicherheitsgurtmechanismus erhält, könnte innerhalb weniger Tage eine neu konfigurierte Version auf dem Weg zu den Händlern haben.

Die additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, entstand Mitte der 1980er Jahre, nachdem Charles Hull die sogenannte Stereolithographie erfunden hatte, bei der die oberste Schicht eines Harzpools durch einen ultravioletten Laser gehärtet wird. Verschiedene Methoden des 3D-Drucks sind bei Ingenieuren beliebt geworden, die Prototypen neuer Designs erstellen oder einige hochgradig kundenspezifische Teile herstellen möchten: Sie können einen 3D-Bauplan eines Teils in einem computergestützten Konstruktionsprogramm erstellen und erhalten dann eine Drucker, um es Stunden später auszuspucken. Dieser Prozess vermeidet die Vorlaufkosten, langen Vorlaufzeiten und Konstruktionsbeschränkungen herkömmlicher Massenfertigungstechniken wie Spritzgießen, Gießen und Stanzen. Aber die Technologie wurde nur an eine begrenzte Anzahl von Materialien angepasst, und es gab Fragen zur Qualitätskontrolle. Die Herstellung von Teilen auf diese Weise war auch langsam – es kann einen Tag oder länger dauern, um das zu erreichen, was die herkömmliche Fertigung in Minuten oder Stunden erreichen kann. Aus diesen Gründen wurde der 3D-Druck nicht für sehr große Serien von Produktionsteilen verwendet.

Aber jetzt ist die Technologie weit genug fortgeschritten, um Serien in Nischenmärkten wie Medizinprodukten zu produzieren. Und es ist bereit, in den nächsten Jahren in mehrere größere Anwendungen einzudringen. Wir sind an einem Punkt angelangt, an dem genügend entscheidende Fortschritte gemacht werden, um die Technologie bei der Herstellung von Endverbrauchsteilen wirklich nützlich zu machen, sagt Tim Gornet, der das Rapid Prototyping Center an der University of Louisville leitet.

Druck drücken : Dieses Foto zeigt eine Reihe von Metallkomponenten von Düsentriebwerken, die bei GE gedruckt wurden.

VORSPRUNG ERREICHEN

Mehrere Techniken können verwendet werden, um ein festes Objekt Schicht für Schicht zu drucken. Beim Sintern wird eine dünne Schicht aus pulverisiertem Metall oder Thermoplast einem Laser- oder Elektronenstrahl ausgesetzt, der das Material in bestimmten Bereichen zu einem Festkörper verschmilzt; dann wird eine neue Pulverbeschichtung darauf gelegt und der Vorgang wiederholt. Teile können auch mit erhitztem Kunststoff oder Metall aufgebaut werden, der durch eine Düse gespritzt oder gespritzt wird, die sich bewegt, um die Form einer Schicht zu erzeugen, woraufhin eine andere Schicht direkt darauf aufgebracht wird usw. Bei einem anderen 3D-Druckverfahren wird Klebstoff verwendet, um Pulver zu binden.

Luft- und Raumfahrtunternehmen stehen bei der Einführung der Technologie an vorderster Front, da Flugzeuge oft Teile mit komplexen Geometrien benötigen, um schwierige Luftströmungs- und Kühlanforderungen in verklemmten Fächern zu erfüllen. Rund 20.000 Teile aus Lasersinterung fliegen bereits in Militär- und Verkehrsflugzeugen von Boeing, darunter 32 verschiedene Komponenten für seine 787 Dreamliner, so Terry Wohlers, ein auf additive Verfahren spezialisierter Fertigungsberater. Dies sind keine Artikel, die in Massenproduktion hergestellt werden müssen; Boeing könnte das ganze Jahr über einige Hundert davon herstellen. Sie sind auch nicht flugkritisch; darunter auch aufwendig geformte luftkanäle zur kühlung, die bisher in mehreren stücken gefertigt werden mussten. Jetzt können wir das Design dieser Teile im Hinblick auf das Gewicht optimieren und wir sparen Material und Arbeit, sagt Mike Vander Wel, Direktor der Strategiegruppe für Fertigungstechnologie bei Boeing. Theoretisch ist dies die ultimative Herstellungsmethode für uns. Obwohl die Geschwindigkeitsbeschränkungen des 3D-Drucks es möglicherweise davon abhalten könnten, die Mehrheit der Boeing-Teile jemals zu produzieren, sagt Vander Wel, wird der Ansatz wahrscheinlich in einem wachsenden Teil davon verwendet.

Boeings Hauptkonkurrent, die European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), nutzt die Technologie zur Herstellung von Titanteilen in Satelliten und hofft, sie für Teile zu verwenden, die es in größeren Stückzahlen für Airbus-Flugzeuge herstellt. Wir wissen noch nicht, in welchem ​​Umfang wir die additive Schichtfertigung dort einsetzen werden, aber wir sehen keine Showstopper, sagt Jon Meyer, der die Forschung zum 3D-Druck bei der EADS-Division Innovation Works in leitet England.

Kleinerer Maßstab : Hier ist ein Mikrodrucker zu sehen, mit dem GE neue Wege testet, Dinge aus keramischen Materialien zu bauen. Forscher verwenden das Gerät, um die Schallköpfe zu drucken, die als Sonden in Ultraschallgeräten verwendet werden; Sie glauben, dass es Zeit und Geld sparen und gleichzeitig das Design verbessern kann.

Die Triebwerkssparte von GE ist möglicherweise näher als jeder andere daran, 3D-gedruckte Teile in die kommerzielle Großproduktion zu bringen. Neben dem Kraftstoffinjektor lasersintert GE Titan auch in komplexe Formen für 1,2 m lange Streifen, die auf die Vorderkante der Fanschaufeln geklebt werden. Diese Streifen lenken Schmutz ab und erzeugen einen effizienteren Luftstrom. Bis jetzt erforderte jedes einzelne Dutzende von Stunden des Schmiedens und der Bearbeitung, bei denen 50 Prozent des Titans verloren gingen. Durch die Umstellung auf 3D-Druck spart das Unternehmen rund 25.000 US-Dollar an Arbeit und Material in jedem Motor, schätzt Todd Rockstroh, der beratende Ingenieur bei GE, der die Bemühungen leitet. Die Schaufelkante und das Einspritzventil werden bereits 2013 in Triebwerken auftauchen und bis etwa 2016 zu Tausenden in die Serienfertigung integriert.

In der Zwischenzeit hofft das Unternehmen, so Rockstroh, durch den Einsatz von 3D-Druck für mehr Teile Designflexibilität zu gewinnen. Als vor kurzem festgestellt wurde, dass ein Schaft im Kraftstoffinjektor übermäßiger Hitzebelastung ausgesetzt war, kam innerhalb einer Woche eine überarbeitete Version aus dem Drucker. Vorher hätten wir 20 verschiedene Teile mit allen dazugehörigen Werkzeugen neu konstruieren müssen, sagt Rockstroh. Es war vielleicht nicht einmal möglich. Die Verwendung von 3D-Druck zum Riffeln der Innenseiten einiger Teile kann ihr Gewicht um bis zu 70 Prozent reduzieren, wodurch eine Fluggesellschaft jedes Jahr Millionen von Gallonen Kraftstoff einsparen kann. Diese Aussicht lässt GE nach Möglichkeiten suchen, alles von Getriebegehäusen bis hin zu Steuerungsmechanismen zu drucken. Wir gehen nächstes Jahr auf eine große Schnitzeljagd zur Gewichtsreduktion, sagt Rockstroh.

Autos könnten ebenfalls von leichteren Teilen profitieren, und Gornet von der University of Louisville stellt fest, dass Druckprozesse das Gewicht von Ventilen, Kolben und Einspritzdüsen um mindestens die Hälfte reduzieren könnten. Einige Hersteller von Luxus- und Hochleistungsautos, darunter Bentley und BMW, setzen bereits den 3D-Druck für Teile mit Hunderten von Stückzahlen ein.

Poliert : Ein Wandler, der in einem Mikrodrucker von GE hergestellt wurde (oben) und derselbe Wandler, nachdem er in anderen Maschinen veredelt und fertiggestellt wurde (unten).

HERAUSFORDERUNGEN ZU ÜBERWINDEN

Ohne die Einschränkungen der Technologie würde der 3D-Druck bereits viel breiter eingesetzt. Die Geschwindigkeiten sind derzeit schrecklich langsam, sagt Singh von GE. Todd Grimm, Leiter eines Beratungsunternehmens für additive Fertigung in Edgewood, Kentucky, schätzt, dass sich die Zeit für die Herstellung eines Teils um das Hundertfache verbessern muss, wenn der 3D-Druck in den meisten Anwendungen direkt mit herkömmlichen Fertigungstechniken konkurrieren soll . Das wird in den nächsten Jahren nicht passieren.

Ein weiteres Problem: Für den 3D-Druck können derzeit nur eine Handvoll Kunststoff- und Metallverbindungen verwendet werden. Beim Lasersintern beispielsweise muss das Material ein Pulver bilden können, das beim Auftreffen mit einem Laser sauber schmilzt und dann schnell erstarrt. Die Compounds, die die erforderlichen Kriterien erfüllen, können 50- bis 100-mal so viel kosten wie die Rohstoffe, die in herkömmlichen Herstellungsverfahren verwendet werden, auch weil sie so wenig nachgefragt sind, dass sie nur von kleinen Spezialanbietern erhältlich sind.

Da die Nachfrage mit neuen Anwendungen jedoch steigt, sollte der Anbieterwettbewerb die Preise drastisch senken. Und die Liste der verfügbaren Materialien wird langsam erweitert. GE versucht, Keramik zu verwenden, was unter anderem in Motoren und medizinischen Geräten neue Möglichkeiten eröffnen würde.

Auch einfache Erfahrungen werden viel zur Verbesserung der Technologie beitragen. Bisher liegen den Herstellern nicht genügend Daten vor, um genau vorherzusagen, wie sich ein Teil entwickeln und wie es halten wird oder wie sich Produktionsvariablen – einschließlich Temperatur, Materialwahl, Teileform und Abkühlzeit – auf die Ergebnisse auswirken. Das kann frustrierend sein, sagt Singh: 3D-Druck ist oft eine schwarze Kunst. Ein Teil besteht aus Tausenden von Schichten, und jede Schicht ist ein potenzieller Fehlermodus. Wir verstehen immer noch nicht, warum ein Teil auf einer Maschine etwas anders herauskommt als auf einer anderen oder sogar auf derselben Maschine an einem anderen Tag. Zum Beispiel neigt der Schichtungsprozess dazu, Spannungen zwischen den Schichten auf unvorhersehbare Weise aufzubauen, so dass einige Teile verzerrt werden. Die Porosität kann auch innerhalb von Teilen variieren, was zu Bedenken hinsichtlich Ermüdung oder Brüchigkeit führt. Das könnte bei Flugzeugtriebwerken oder Tragflächenstreben ein großes Problem sein. Wir wissen, wie man die Metalle stark genug macht, sagt Vander Wel von Boeing. Aber wir machen uns Sorgen über die Unvorhersehbarkeit. Können wir ein Ergebnis wiederholen, um 100 exakt gleiche Teile zu erhalten? Wir sind uns noch nicht sicher.

Trotz dieser Herausforderungen ist die Zeit beim 3D-Druck auf der Seite, sagt Vander Wel, und das nicht nur, weil sich die Prozesse verbessern. Ingenieure zögern verständlicherweise, eine neue Technologie für kritische Teile einzusetzen, wenn ihre Fristen und ihr Ruf auf dem Spiel stehen, ganz zu schweigen von dem Leben von Menschen in Flugzeugen. Aber jüngere Designer passen sich schneller an, sagt er. Sie sagen nicht so schnell: „So kann man das nicht bauen.“

David H. Freedman, ein in Boston ansässiger Wissenschaftsjournalist, schrieb in der November/Dezember-Ausgabe 2010 von . über Optogenetik KINDER . Sein neuestes Buch ist Falsch: Warum Experten uns immer wieder im Stich lassen .

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