Die Anwendung von Binder Jetting in der Luft- und Raumfahrt

Stellen Sie sich vor, Sie stellen komplizierte Flugzeugteile mit der Präzision eines 3D-Druckers her, aber mit der Festigkeit und Haltbarkeit, die der unnachgiebige Himmel verlangt. Das ist die Realität von Binder Jettingein additives Fertigungsverfahren, das die Luft- und Raumfahrtindustrie revolutioniert. Durch strategisches Auftragen eines flüssigen Bindemittels auf ein Metallpulverbett, Schicht für Schicht, werden mit Binder Jetting komplexe, leichte Strukturen hergestellt, die die Grenzen des Möglichen im Flugzeugbau verschieben.

Einfaches Verständnis von Binder Jetting

Binder Jetting funktioniert ähnlich wie ein herkömmlicher Tintenstrahldrucker, nur dass statt Tinte ein Bindemittel verwendet wird, um Metallpartikel aneinander zu binden. Das Verfahren beginnt mit einem digitalen 3D-Modell des gewünschten Bauteils. Dieses Modell wird dann in dünne Schichten zerlegt, die als Blaupause für den Druckvorgang dienen. In der Binder Jetting-Maschine trägt ein Druckkopf das Bindemittel selektiv auf ein Bett aus feinem Metallpulver auf, so dass die Partikel nur in den Bereichen haften bleiben, die anhand des digitalen Schnitts festgelegt wurden. Sobald eine Schicht fertig ist, wird eine neue Schicht Pulver aufgetragen und der Bindevorgang wiederholt. Dies wird fortgesetzt, bis das gesamte Bauteil Schicht für Schicht von Grund auf aufgebaut ist.

Nach der Druckphase wird das ungebundene Pulver entfernt, so dass das "grüne" Teil zurückbleibt. Dieses Teil wird dann einem Sinterprozess unterzogen, bei dem es hohen Temperaturen ausgesetzt wird, wodurch die Metallpartikel miteinander verschmelzen und ein robustes und funktionelles Metallteil entsteht.

Die 10 wichtigsten Metallpulver von Binder Jetting

Die Vielseitigkeit des Binder Jetting zeigt sich in der Kompatibilität mit einer breiten Palette von Metallpulvern. Jedes Pulver bietet einzigartige Eigenschaften, die auf spezifische Luft- und Raumfahrtanwendungen zugeschnitten sind. Hier ein genauerer Blick auf 10 bekannte Metallpulver, die mit Binder Jetting zum Einsatz kommen:

1. Rostfreier Stahl 316L: Edelstahl 316L ist für seine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und gute mechanische Festigkeit bekannt und wird daher gerne für Anwendungen wie Flugzeuginnenteile, Rohrleitungen und Gehäuse verwendet, die einer rauen Umgebung standhalten müssen.

2. Inconel 625: Diese Hochleistungs-Nickel-Chrom-Superlegierung zeichnet sich durch eine außergewöhnliche Festigkeit bei hohen Temperaturen aus und eignet sich daher ideal für Komponenten in heißen Bereichen von Düsentriebwerken, wie Brennkammerauskleidungen und Turbinenschaufeln. Inconel 625 hält enormer Hitze und hohem Druck stand und gewährleistet so den reibungslosen Betrieb des Triebwerks.

3. Titan 6Al-4V (Ti-6Al-4V): Ti-6Al-4V ist ein Meister des Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und bietet beeindruckende mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht. Diese Kombination macht es perfekt für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen eine Gewichtsreduzierung von größter Bedeutung ist, wie z. B. bei Flugzeugkomponenten, Fahrwerksteilen und Triebwerksaufhängungen.

4. Aluminium-Legierungen (AlSi10Mg, AlSi7Mg0,3): Aluminiumlegierungen wie AlSi10Mg und AlSi7Mg0.3 bieten eine Mischung aus Erschwinglichkeit, guter Verarbeitbarkeit und angemessener Festigkeit und eignen sich für nicht kritische Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen die Gewichtsreduzierung immer noch eine Priorität ist. Diese Legierungen können in Gehäusen, Halterungen und anderen nicht tragenden Komponenten verwendet werden.

5. Nickellegierung 718: Diese vielseitige Nickel-Chrom-Legierung zeichnet sich durch hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und hervorragende Bearbeitbarkeit aus. Diese Eigenschaften machen sie zu einem wertvollen Werkstoff für verschiedene Teile in der Luft- und Raumfahrt, darunter Strukturteile, Fahrwerkskomponenten und Hochdruck-Hydraulikleitungen.

6. Kupfer: Aufgrund seiner hervorragenden thermischen und elektrischen Leitfähigkeit wird Kupfer in Wärmetauschern, Kühlern und elektrischen Komponenten in Flugzeugen eingesetzt. Binder Jetting ermöglicht die Herstellung komplizierter Kupferstrukturen, die die Wärmeübertragungsleistung optimieren.

7. Kovar: Diese Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der dem von Glas sehr nahe kommt. Diese einzigartige Eigenschaft macht Kovar ideal für Anwendungen, bei denen eine zuverlässige Abdichtung zwischen Metall- und Glaskomponenten von entscheidender Bedeutung ist, wie z. B. in der Avionik und bei Instrumentenanzeigen.

8. Invar 36: Invar 36 ist für seinen außergewöhnlich niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bekannt und wird für Präzisionsbauteile in der Luft- und Raumfahrt verwendet, die bei unterschiedlichen Temperaturen maßhaltig sein müssen. Dieses Material ist besonders wertvoll für Anwendungen in optischen Systemen und Führungsinstrumenten.

9. Wolframkarbid: Wolframkarbid ist bekannt für seine außergewöhnliche Härte und Verschleißfestigkeit und eignet sich ideal für Bauteile, die hoher Reibung und Abrieb ausgesetzt sind. Es kann in Verschleißpolstern für Fahrwerke, Schneidwerkzeugen und anderen Komponenten verwendet werden, die eine hohe Verschleißleistung erfordern.

10. Martensitaushärtender Stahl: Martensitaushärtender Stahl, der hohe Festigkeit mit ausgezeichneter Zähigkeit verbindet, ist ein wertvoller Werkstoff für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, die außergewöhnliche mechanische Eigenschaften erfordern. Dieser Stahl kann für hochbelastete Komponenten wie Fahrwerksstreben und kritische Strukturelemente verwendet werden.

Binder JettingAnwendungen in der Luft- und Raumfahrt

Die Fähigkeit des Binder Jetting, komplexe Geometrien mit minimalem Materialabfall zu erzeugen, macht es zu einem Wendepunkt in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Im Folgenden erfahren Sie, wie Binder Jetting verschiedene Aspekte der Flugzeugkonstruktion und -herstellung verändert:

Binder Jetting kann Turbinenschaufeln herstellen:

Traditionell werden Turbinenschaufeln, das Herzstück eines Düsentriebwerks, in aufwändigen Guss- oder Bearbeitungsprozessen hergestellt. Binder Jetting bietet eine flexiblere und kostengünstigere Alternative. Stellen Sie sich vor, Sie würden komplizierte Kühlkanäle direkt in die Schaufelkonstruktion drucken, was bei herkömmlichen Methoden eine Herausforderung darstellt. Dies ermöglicht ein effizienteres Wärmemanagement, ein entscheidender Faktor für die Maximierung der Triebwerksleistung und Treibstoffeffizienz.

Inconel 625, die Superlegierung, die typischerweise für Turbinenschaufeln verwendet wird, lässt sich jedoch aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts nur schwer mit Binder Jetting verarbeiten. Die laufende Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung verbesserter Bindemittel und Sintertechniken, um das volle Potenzial des Binder Jetting für diese anspruchsvolle Anwendung zu erschließen.

Binder Jetting kann Rumpfhäute herstellen:

Beim Rumpf, dem Hauptteil eines Flugzeugs, kommt es auf Leichtbauweise an, um eine optimale Treibstoffeffizienz zu erzielen. Binder Jetting ermöglicht die Herstellung von leichten und dennoch stabilen Rumpfhäuten mit komplizierten Gitterstrukturen. Diese internen Stützstrukturen imitieren die Festigkeit von Bienenwaben und sorgen für außergewöhnliche Steifigkeit, ohne das Gewicht zu erhöhen. Darüber hinaus können beim Binder Jetting interne Kanäle für die Verkabelung und andere wichtige Komponenten in die Haut integriert werden, was die Montage vereinfacht und die Anzahl der benötigten Teile reduziert.

Binder Jetting kann Fahrwerkskomponenten herstellen:

Fahrwerke sind bei Start und Landung einer enormen Belastung ausgesetzt. Binder Jetting bietet die Möglichkeit, komplexe Fahrwerkskomponenten aus hochfesten Metallpulvern wie Titan 6Al-4V oder Nickellegierung 718 herzustellen. Dies ermöglicht eine Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der erforderlichen Festigkeit und Haltbarkeit, um den rauen Betriebsbedingungen standzuhalten. Darüber hinaus können durch Binder Jetting komplizierte interne Kanäle in Fahrwerkskomponenten geschaffen werden, um das Gewicht weiter zu reduzieren und den Flüssigkeitsfluss für Hydrauliksysteme zu optimieren.

Über die Beispiele hinaus: Eine breitere Wirkung

Die Auswirkungen des Binder Jetting in der Luft- und Raumfahrt gehen über diese spezifischen Anwendungen hinaus. Hier ein kleiner Einblick in den breiteren Einfluss des Verfahrens:

• Rapid Prototyping und Design-Iteration: Binder Jetting ermöglicht die schnelle Herstellung von Prototypen für neue Flugzeugkomponenten. Dies erleichtert kürzere Entwicklungszyklen und ermöglicht es den Ingenieuren, Konzepte schnell und effizient zu testen und zu verfeinern.
• Verkürzte Fertigungszeiten: Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren bietet das Binder Jetting das Potenzial für eine schnellere Produktion bestimmter Komponenten. Dies kann die Vorlaufzeiten erheblich verkürzen und die Montageprozesse von Flugzeugen rationalisieren.
• Fertigung auf Abruf: Die dem Binder Jetting innewohnende Flexibilität macht es für die Herstellung von Ersatzteilen auf Abruf geeignet. Dies kann besonders an abgelegenen Standorten oder in Situationen von Vorteil sein, in denen es unpraktisch ist, einen großen Bestand an Ersatzteilen zu halten.
• Gewichtsreduzierung: Wie bereits erwähnt, zeichnet sich Binder Jetting durch die Schaffung leichter Strukturen aus. Dies führt zu erheblichen Treibstoffeinsparungen für die Fluggesellschaften während der Lebensdauer eines Flugzeugs und trägt zu einer nachhaltigeren Zukunft des Luftverkehrs bei.

Herausforderungen und Überlegungen

Während Binder Jetting bietet ein immenses Potenzial für die Luft- und Raumfahrtindustrie, ist aber nicht ohne Herausforderungen. Hier sind einige wichtige Überlegungen:

• Materialeigenschaften: Während Binder Jetting können Teile mit guten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, die jedoch nicht immer mit denen von Komponenten übereinstimmen, die mit traditionellen Verfahren wie Gießen oder Schmieden hergestellt werden. Laufende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten verbessern die Eigenschaften von bindergespritzten Teilen kontinuierlich, aber die Gleichwertigkeit mit traditionellen Verfahren bleibt ein ständiges Bestreben.
• Nachbearbeiten: Binder Jetted-Teile erfordern oft zusätzliche Nachbearbeitungsschritte wie das Sintern, was die Gesamtproduktionszeit und -kosten erhöhen kann.
• Oberfläche: Die Oberflächenbeschaffenheit von Teilen, die mit dem Binder-Jet-Verfahren hergestellt werden, ist möglicherweise nicht so glatt wie bei herkömmlichen Verfahren. Dies kann je nach Anwendung zusätzliche Bearbeitungs- oder Endbearbeitungsschritte erforderlich machen.
• Qualitätskontrolle: Die Entwicklung robuster Qualitätskontrollverfahren ist entscheidend für die Gewährleistung der gleichbleibenden Leistung und Zuverlässigkeit von bindergespritzten Komponenten in kritischen Luft- und Raumfahrtanwendungen.

FAQ

mehr über 3D-Druckverfahren erfahren