3D-Druck : Niederösterreichische Technologie spart 160 Kilo Rohmaterial

Die europäische Raumfahrtbehörde ESA ist stets auf der Suche nach innovativen Technologien, um Bauteile für ihre Athena-Mission effizienter fertigen zu können. Fündig wurde sie beispielsweise bei einem Konsortium aus vier niederösterreichischen Partnerunternehmen: RHP-Technology, SBI, FOTEC Forschungs- und Technologietransfer und AAC – Aerospace & Advanced Composites. Mit einer speziellen Technologie konnten sie den Materialeinsatz bei Titan um 1.900 Kilogramm reduzieren.

Das große Aber: Die schlechte Buy-to-Fly (BTF) Ratio aufgrund des hohen Materialverbrauchs bei herkömmlichen, subtraktiven Fertigungsverfahren. Im Falle von Titan lag die BTF-Ratio bei rund 8,4:1. Da geht noch mehr, dachte sich auch das Technologieunternehmen RHP und optimierte die BTF-Ratio für Titan-Bauteile auf 1,8:1.

Die große Herausforderung in der Titanbearbeitung liegt im Materialverbrauch. Bei herkömmlichen additiven Fertigungsverfahren kann dieser teuer werden. Detto sind die meisten Technologien aufgrund ihrer Bauraumgröße von maximal 0,5 Metern in horizontaler Richtung limitiert. Kein Pulverbettverfahren kann zudem die hohen Ansprüche der Luftfahrt erfüllen. Ein Konsortium aus Niederösterreich will das ändern.

Die „Plasma Metal Deposition (PMD) Technologie“ im „Metallic 3D Printer“ (M3DP) von SBI ermöglicht die additive Fertigung von großen Strukturbauteilen von 0,2 bis zu zwei Metern Länge aus Titan-Aluminium, Inconel oder Aluminiumlegierungen. Mittels Plasmabrenner wird ein lokales Schmelzbad erzeugt und durch Zugabe von Titandraht erfolgt der Materialauftrag. Bei der Spiegelhalterung für das Weltraumteleskop der Athena-Mission der ESA handelt es sich um ein rundes Gitterobjekt mit drei Metern Durchmesser. Für das Projekt wurde ein „Tortenstück“ der Spiegelhalterung digital herausgeschnitten. Allerdings wurde lediglich ein Demonstrator gefertigt, der wohl nie ins Weltall fliegen wird. Er muss aber dennoch die gleichen Eigenschaften wie die eigentliche Spiegelhalterung vorweisen.

Die Anforderungen an die Bauteile: hohe Steifigkeit des Materials, Funktionalität und exakte Bauteilmaße von 0,5 x 0,5 x 0,2 Metern (X-Y-Z Richtung). „Vor dieser Bauteilgröße kapitulieren Pulverbettverfahren in der Regel,“ sagt John Meuthen, Leiter Additive Manufacturing bei RHP. Eine weitere Anforderung seitens ESA: die Kavitäten durften nicht runter skaliert werden, da hier die Spiegelelemente eingeklebt werden.

Insgesamt wurden sechs Demonstratoren von RHP mittels PMD-Prozess gefertigt. Anschließend wurden sie spannungsarm geglüht und mechanisch nachbearbeitet. Als Referenz für die Untersuchung der 3D-gedruckten Bauteile wurde der Luftfahrtindustrie-Standard AMS 7004 herangezogen. Getestet wurden mechanische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Dehngrenze, Bruchdehnung sowie der E-Modul.