Im Zentrum für additive Technologien in Russland wurde ein Keramik-3D-Drucker installiert, der Produkte mit einer Wandstärke von bis zu 15 mm herstellt

de.wedoany.com-Bericht: Das Zentrum für additive Technologien (ZAT) der United Engine Corporation (UEC) hat an seinem Standort einen industriellen Keramik-3D-Drucker des Unternehmens „Rettech" installiert. Mit dieser Anlage können Keramikprodukte mit einer Wandstärke von bis zu 15 mm hergestellt werden, während die bisherige Technologie eine Wandstärke von nur 6 bis 8 mm ermöglichte – darüber hinaus stieg das Risiko von Rissen erheblich.

Moderne Flugtriebwerke stellen von Generation zu Generation höhere Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit. Die Verbesserung der thermodynamischen Kreislaufparameter erfordert eine Erhöhung der Gastemperatur am Brennkammeraustritt. Allein durch konstruktive Maßnahmen zur Steigerung der Kühleffizienz von Brennkammerwänden und Turbinenschaufeln lässt sich die Temperatur nicht signifikant erhöhen. Daher ist der Einsatz von Bauteilen aus hitzebeständigen Nickelbasislegierungen, Titanbasislegierungen, pulvermetallurgischen Nickelbasislegierungen sowie Keramikwerkstoffen erforderlich, kombiniert mit Schutzbeschichtungen zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit, um die Lebensdaueranforderungen zu erfüllen.

Die additive Fertigung wird in der Industrie bereits für das schnelle Prototyping eingesetzt, verkürzt die Produktentwicklungszeit und ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit komplexen Geometrien, die durch spanende Bearbeitung, Gießen oder Schmieden nur schwer oder gar nicht realisierbar sind. Durch Topologieoptimierung, variable Wandstärken, innere Hohlräume und mehrschichtige Strukturen können Bauteile bei gleichbleibender Festigkeit und Lebensdauer um mehrere zehn Prozent leichter gemacht werden. Die Technologie erhöht zudem die Materialausnutzung, reduziert Abfälle und verringert die Abhängigkeit von Vorrichtungen und Werkzeugen; die Anlagen lassen sich schnell umrüsten.

Das Zentrum für additive Technologien ist auf die Entwicklung von 3D-Druckverfahren spezialisiert. Seine Aufgabe ist es, additive Technologien in die Flugtriebwerksfertigung, die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die russische Industrie insgesamt einzuführen. Seit diesem Sommer verfügt das Zentrum über die Qualifikation als Entwickler von Konstruktionsdokumentationen; sein Konstruktionsbüro kann eigenständig Dokumentationen nach nationalen Standards erstellen und führt gleichzeitig Forschungsarbeiten, Entwicklungsprojekte sowie die Fertigung von Versuchs- und Serienmustern von Flugtriebwerksbauteilen durch.

Technische Keramik wird dort eingesetzt, wo andere Materialien hohen Temperaturen, Reibung oder chemischen Einwirkungen nicht standhalten. Die Herstellung von Keramikbauteilen mit komplexen Formen galt jedoch bislang als große technologische Herausforderung. Das im Zentrum eingesetzte Keramik-3D-Druckverfahren basiert auf der Stereolithografie; als Druckmaterial dient eine dickflüssige Paste aus flüssigem Photopolymer und Keramikpulver. Die Auswahl an Keramikwerkstoffen ist breit und ermöglicht es, den Produkten die gewünschten Eigenschaften wie hohe mechanische Festigkeit, Härte, Hitzebeständigkeit oder Wärmeleitfähigkeit zu verleihen.

Beim Druckvorgang wird eine Schicht der Keramikpaste auf die Plattform aufgetragen und glattgezogen. Ein Ultraviolettlaser belichtet die Pastenschicht programmgesteuert entsprechend der Produktgeometrie. Anschließend senkt sich die Plattform um die eingestellte Schichthöhe ab, und die nächste Materialschicht wird zugeführt. Nach Abschluss des Bauteilaufbaus werden nicht polymerisierte Pastepartikel von der Oberfläche entfernt. In der Nachbehandlung wird das als Bindemittel dienende Photopolymer ausgebrannt, und schließlich wird die Keramik bei Temperaturen von 1400 bis 1700 Grad Celsius gesintert. Die neu eingesetzten Materialzusammensetzungen und Wärmebehandlungsprozesse gewährleisten die Qualität der Bauteile.

Derzeit haben die Fachleute auf dieser Anlage die Herstellung von Werkzeugen, Bauteilen und Erzeugnissen mittels Keramik-3D-Druck eingeübt, darunter Gießkerne für den Guss von Gasturbinentriebwerksschaufeln, Thermoelement-Schutzhülsen, Filterelemente sowie Tiegel zum Schmelzen hitzebeständiger Legierungen. Der Generaldirektor des Zentrums für additive Technologien, Alexei Mazarow, erklärte, dass die Keramik-3D-Drucktechnologie eine wichtige Richtung der Importsubstitution darstelle. Die Beherrschung dieser Technologie werde zur Entwicklung der Triebwerksindustrie beitragen. Die auf diesem Wege hergestellten Keramikprodukte könnten in Gießereien und Wärmebehandlungswerkstätten verschiedener Industriezweige importierte Werkzeuge ersetzen. Der Einsatz von Keramik ermögliche neue Lösungen im Triebwerksbau, einschließlich der Herstellung von Gießkernen für den Schaufelguss, und erhöhe die Beständigkeit der Bauteile gegenüber hohen Temperaturen.

Experten zufolge wird der Keramik-3D-Druck breite Anwendung in der Fertigung kleiner Gasturbinentriebwerke finden, beispielsweise bei der Herstellung von Düsenapparaten und Turbinenlaufradteilen aus Keramik. Keramikbauteile können Temperaturen von bis zu 1500 Grad Celsius standhalten, behalten dabei ihre geometrische Formstabilität und zeigen eine Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion und Oxidation.