Im Hybrid Materials Laboratory an der University of Applied
Sciences and Arts of Southern Switzerland (SUPSI) werden neue
Verbundwerk-stoffe entwickelt. Neben einer Vielzahl an Produktions-
und Analyse-geräten setzen die Tessiner Forscher auch ein Sintratec
Kit ein.
Bei künftigen Space Shuttles wird vermehrt auch auf die
Wiederverwend-
barkeit von Komponenten geachtet. Professor Alberto Ortona,
Leiter des
Hybrid Materials Laboratory am Institute for Mechanical
Engineering and
Materials Technology (MEMTi) an der SUPSI, sagt: „Eine
Weltraumfähre tritt
von einem niedrigen Erdorbit mit einer Geschwindigkeit von rund
30‘000
km/h in die Atmosphäre ein. Das Vehikel wird dann durch die
Luft-Reibung
abgebremst, wodurch sich deren Oberfläche extrem erhitzt.“ Damit
die
Struktur beim Wiedereintritt nicht verbrennt, werden spezielle
Hybridmateri-
alien eingesetzt – wie beispielsweise Strukturbauteile aus
leistungsfähigen
Keramikverbindungen, die über längere Zeit extremen Bedingungen,
höchs-
ten Temperaturen und Thermoschocks standhalten. Solche
Komponenten
müssen nicht mehr nach jeder Expedition ausgetauscht werden.
Gasgekühlte Sandwich-StrukturenAn solchen keramischen
Hybridmaterialien für Extrembedingungen forscht
das Team von Professor Ortona. Für das EU-Forschungsprojekts
THOR
entwickelte sein Institut zum Beispiel komplexe
Sandwich-Strukturen aus
gasgekühlten Keramik-Verbundwerkstoffen. Dadurch wird das
thermische
Verhalten von Strukturkomponenten künftiger Weltraumfähren
mittels
einem «Thermal Protection System» kontrolliert. Der
Forschungsfokus der
weltweit renommierten Hochschule liegt beim Engineering
spezieller
Materialkombinationen, worunter auch Kombinationen mit Luft –
also
poröse Werkstoffe – verstanden werden. Dazu gehören moderne
Struktur-
bauteile, durch welche Gase oder Flüssigkeiten geleitet werden
und die in
Wärmetauschern, Heizungsbrennern, Solaranlagen, Katalysatoren
oder in
Wasserfiltrationssystemen eingebaut werden.
SLS erlaubt komplexes Polymer-DesignFür thermisch belastbare
Komponenten eignen sich insbesondere soge-
nannte Ceramic Matrix Composites (CMC). Solche sowohl stabilen
als auch
leichten Gyroid-Architekturen vertreten aufgrund ihrer
exzellenten mechani-
schen Eigenschaften eine eigene Anwendungsklasse unter den
leistungsfä-
higen Komponenten. Deren Herstellung ist oft nur mit additiven
Fertigungs-
verfahren realisierbar.
Katalysator-Substrate, die den Abgasstrom verwirbeln: Die beiden
gleich grossen, aber mit unterschiedlichen Parametern 3D-gedruckten
Gitterstrukturteile weisen unterschiedliche me-chanische
Eigenschaften und Porösitäten auf.
Thermischer Schutzschild: Test eines exponierten Rumpfteiles in
einem Plasmawindtunnel. (Bildquelle: Deutsches Zentrum für Luft-
und Raumfahrt)
«Je weiter sich die additiven Technologienprofessionalisieren,
umso mehr werden wir von deren Möglichkeiten profitieren.»Professor
Alberto Ortona
Leiter des Hybrid Materials Labratory am Institute for
Mechanical Engineering and Materials Technology
(MEMTi) an der SUPSI
Entwicklungsprozess zellularer Keramik für den Leichtbau
(v.l.n.r.): Natürlicher Schaumwürfel mit heterogener
„Zufalls-Struktur“, das mit einer keramischen Paste beschichtete
Schaum-Template, 3D-ge-drucktes Sakral-Template mit exakt
strukturierter Geometrie und das mit einer keramischen Paste
beschichteten Sakral-Template. (Zur Verfügung gestellte Modelle:
EngiCer SA).
Sintratec AGBadenerstrasse 135200 BruggSwitzerland
[email protected]
SUPSI University of Applied Sciences and Arts of Southern
SwitzerlandProf. Alberto OrtonaLeiter des Hybrid Materials
Laboratory
www.supsi.ch/[email protected]
Im Hybrid Materials Laboratory werden seit 15 Jahren 3D-Drucker
genutzt.
Das bis anhin am meisten eingesetzte Stereolithografie-Verfahren
(SLA)
kommt nun gerade bei komplexen Designs wie Gyroiden an seine
Grenzen.
Auch die Herstellung poröser Polymere ist damit nicht möglich.
Um sich
diesen Schwachpunkten zu entledigen, schaute man sich am MEMTi
Institut
nach anderen 3D-Druck-Verfahren um und kam auf das selektive
Lasersin-
tern (SLS).
Poröse Strukturen aus Sintratec PA12Für ein wegweisendes Projekt
setzte Simone Vitullo, Forschungsassistent
am MEMTi, das Sintratec Kit täglich ein. Während dreier Monate
untersuchte
er die mechanischen Eigenschaften und Porösitäten von
3D-gedruckten
Gitterstrukturen mit dem Ziel, möglichst poröse Geometrien –
ohne viel
Festigkeitsverlust – zu erhalten. „Um die Geometrie, das Gewicht
und die
Dichte der Gyroide zu optimieren, veränderte ich systematisch
die Sinter-
temperatur, die Lasergeschwindigkeit und die Schichtdicke“,
erklärt der
Assistent. Dabei setzte er die Teile mechanischen Kompressions-
und
Torsionstests aus. Die resultierenden Zusammenhänge zwischen
Druckpa-
rametern und den Charakteristika der 3D-gedruckten Teile dienen
nun der
weiterführenden Materialforschung am Institut.
Sakrale Templates für KeramikstrukturenBesonderes Augenmerk legt
das MEMTi ausserdem auf das Engineering
von keramischen Verbundwerkstoffen, die mittels Strukturvorlagen
aus Sin-
tratec PA12 realisiert werden. Professor Ortona fährt fort:
„Solche Struktur-
vorlagen nennen wir sakrale Templates.“ Der Ausdruck erklärt den
raffi-
nierten Herstellungsprozess: Das via SLS 3D-gedruckte
Polymer-Template
wird mit einer keramischen Paste beschichtet, worauf das Polymer
bei der
darauf folgenden Wärmebehandlung verbrennt. Dabei entsteht eine
hohle,
ultra-leichte und hoch-stabile Keramik-Struktur. Diese werden
nun durch
die Schweizer Firma EngiCer SA industriell hergestellt. Oscar
Santoliquido,
Forschungsassistent am MEMTI, ergänzt: „Dank der offenen
Parameter des
Sintratec Kit konnten wir die 3D-gedruckte Objekte mit den
besten Eigen-
schaften definieren, die erforderlich sind, um die
Keramikbeschichtung
optimal auf das Template aufzubringen. Die SLS-Technologie
erlaubt uns,
komplexe Gitterstrukturen einfach und schnell herzustellen.“
Additive Fertigung als ImpulsgeberIn Zukunft sollen die
komplexen Keramikstrukturen direkt additiv gefertigt
werden. „Je weiter sich die additiven Technologien
professionalisieren,
umso mehr werden wir von deren Möglichkeiten profitieren“,
resümiert
Professor Ortona. Dass der 3D-Druck zu neuen
Enginneering-Paradigmen
verhelfe, ist im Bereich der keramischen Verbundwerkstoffe
offensichtlich.
Simone Vitullo, Forschungsassistent am MEMTi, an seinem
Arbeits-platz im Hybrid Materials Laboratory.
Mechanischer Festigkeitstest eines würfelförmigen Gyroid-Musters
mit einer Seitenlänge von 40 mm: Trotz leichter Struktur hat das
Ob-jekt aus Sintratec PA12 eine Kompressions-Last von bis zu 5 kN
(ca. 500 Kilogramm) ausgehalten.
Oscar Santoliquido, Forschungsassistent am Institute for
Mechani-cal Engineering and Materials Technology (MEMTi): „Die
SLS-Tech-nologie erlaubt uns, komplexe Gitterstrukturen einfach und
schnell herzustellen.“
