Die Nachfrage nach leichten, leistungsstarken und anspruchsvollen Strukturbauteilen im Luft- und Raumfahrtsektor wächst mit dem technologischen Fortschritt täglich. Während der Aufstieg der 3D-Drucktechnologie radikale Verbesserungen im Luft- und Raumfahrtsektor mit sich gebracht hat, unterliegen herkömmliche Fertigungstechniken in diesen Sektoren manchmal erheblichen Einschränkungen. Unter anderem wurde der Fortschritt der 3D-Drucktechnologie in der Luft- und Raumfahrt durch die Untersuchung und Entwicklung verbesserter Metallpulver erheblich erleichtert.
Der 3D-Druck, manchmal auch als additive Fertigungstechnologie bezeichnet, ist eine Technik zur schichtweisen Anhäufung von Material zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände. Die 3D-Drucktechnologie bietet eine bessere Materialausnutzung, schnellere Fertigungszyklen und mehr Gestaltungsfreiheit als herkömmliche subtraktive Fertigung oder gleichwertige Fertigungsalternativen. Die 3D-Drucktechnologie wird in großem Umfang in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, darunter in der Leichtbaufertigung, der Optimierung von Triebwerkskomponenten, der Herstellung von Drohnen und der Herstellung von Flugzeugkomponenten.
Insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie, wo hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Metallpulver bestehen, ist Metallpulver ein entscheidender Rohstoff für die 3D-Drucktechnologie. Hochwertige Metallpulver erfordern Eigenschaften wie gute Sphärizität, Fließfähigkeit, geeignete Partikelgrößenverteilung und hohe Reinheit. Diese Eigenschaften wirken sich direkt auf die Qualität und Leistung von 3D-Druckprodukten aus, sodass die Entwicklung verbesserter Metallpulver zu einem Hauptantrieb für die Verbesserung der 3D-Drucktechnologie in der Luftfahrt geworden ist.
Zwei häufig verwendete Vorbereitungstechniken bei der Untersuchung und Entwicklung von Metallpulvern sind die Vakuuminduktionsschmelz-Argon-Atomisierungsmethode (VIGA) und die Plasma-Rotationselektrodenmethode (PREP). Mit der PREP-Methode können Metallpulver mit hoher Sphärizität, glatter Oberfläche, enger Pulverpartikelgrößenverteilung und guter Fließfähigkeit hergestellt werden, was einzigartige Vorteile im Bereich des 3D-Drucks bietet; Die VIGA-Methode liefert eine hohe Ausbeute an feinem Pulver, es gibt jedoch Probleme mit Hohlpulver und Satellitenpulver. Die Entwicklung und Aktualisierung einer neuen Generation von Pulvertechnologie und -ausrüstung für die Zerstäubung mit rotierenden Plasmaelektroden wird dazu beitragen, die Ausbeute an Feinpulver und die Produktionseffizienz zu steigern und somit die Qualität von PREP-Pulver zu verbessern.
Neben der Verbesserung der Herstellungstechnik wird die Leistung von Metallpulver maßgeblich von seiner Reinheit beeinflusst. Für bestimmte Anwendungen wie die Luft- und Raumfahrt haben Verbraucher recht genaue Standards für die Reinheit des Metallpulvers. Der Sauerstoffgehalt von Titanlegierungspulver beträgt {{0}}.007 % bis 0.013 %; der Sauerstoffgehalt von Hochtemperatur-Legierungspulver muss zwischen 0,006 % und 0,018 % reguliert werden; und der Sauerstoffgehalt von Edelstahlpulver beträgt 0,010 % bis 0,025 %. Diese strengen Reinheitskriterien garantieren wichtige Indikatoren wie mechanische Festigkeit von 3D-gedruckten Artikeln, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturleistung.
Der 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt hängt auch stark von der Partikelgrößenverteilung des Metallpulvers ab. Unterschiedliche 3D-Drucktechniken und Formungsmethoden erfordern unterschiedliche Kriterien für die Größenverteilung der Pulverpartikel. Für den Metall-3D-Druck liegt der heutzutage am häufigsten verwendete Pulverpartikelgrößenbereich zwischen 15 und 150 μm. Aufgrund ihres fein fokussierten Punkts und des einfachen Schmelzens feiner Pulver eignen sich Drucker, die mit Lasern als Energiequellen betrieben werden, für den Einsatz von Pulvern im Bereich von 15 bis 53 μm; Drucker, die Elektronenstrahlen als Energiequelle verwenden, haben etwas gröber fokussierte Lichtpunkte und eignen sich daher besser zum Schmelzen grober Pulver und für die Verwendung von Pulvern im Bereich von 53 bis 105 μm. Pulver mit einer Partikelgröße von 105–150 μm können für Koaxialdrucker mit Pulverzufuhr verwendet werden.
Ein weiterer entscheidender Faktor für die Fließfähigkeit von Metallpulver ist seine Sphärizität. Im Allgemeinen ist die Fließfähigkeit der Pulverpartikel umso besser, je höher ihre Sphärizität ist. Um eine einwandfreie Pulververteilung und -zufuhr während des Drucks zu gewährleisten, benötigt der 3D-Druck von Metallpulver eine Sphärizität von mehr als 98 %. Die wichtigsten Herstellungstechniken für hochwertige 3D-gedruckte Metallpulver sind Aerosolisierungs- und rotierende Elektrodentechniken; Daher ist die durch diese beiden Prozesse erzeugte Pulverform im Wesentlichen kugelförmig und erfüllt die hohen Kriterien des 3D-Drucks.
Neben der Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie für Flugzeuge unterstützt die Forschung und Entwicklung neuer Metallpulver die Innovation und Entwicklung der Pulvermetallurgietechnologie. Die Pulvermetallurgie ist eine hochentwickelte Materialverarbeitungsmethode zur Herstellung verschiedener Teile, bei der Techniken wie das Pressen und Sintern von Metallpulvern zum Einsatz kommen. Die Pulvermetallurgie in der Luft- und Raumfahrt wird in großem Umfang zur Herstellung von Leichtbaukonstruktionen und kompliziert geformten Bauteilen eingesetzt. Die Pulvermetallurgie-Technologie wurde mit dem Aufkommen der 3D-Drucktechnologie weiterentwickelt und verfeinert, wodurch eine Verbundfertigungstechnologie aus „3D-Druck + Pulvermetallurgie“ entstanden ist.
Eine neuartige Technik, die 3D-Druck und Pulvermetallurgietechnologien kombiniert, ist der Pulverextrusionsdruck (PEP). Bei dieser Technik werden zunächst kontinuierlich Metall-/Keramikpulver mit organischen Bindemitteln gemischt, um Pellets herzustellen. Anschließend werden diese mit einem 3D-Drucker geformt, die Bindemittel werden aus den hergestellten Rohlingen entfernt und sie schließlich durch Sintern verdichtet, um Produkte mit gleichbleibender und herausragender Leistung herzustellen. Abgesehen von der formfreien Vorbereitung erhöht die PEP-Technologie die Verarbeitungskapazität von hochschwierigen und hochkomplexen Bauteilen und bietet so eine effektivere und flexiblere Produktionslösung für den Luft- und Raumfahrtsektor.
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