Grüne Laser: Das bestgehütete Geheimnis der additiven Fertigung

In 3D gedruckte Teile befinden sich jetzt auf einem anderen Planeten und werden mit dem Perseverance Rover zum Mars gebracht. Dies zeigt die zunehmende Verwendung der additiven Fertigung (AM), der anderen Bezeichnung für 3D-Druck, zur Herstellung von Weltraumforschungskomponenten, einschließlich Antriebsvorrichtungen und Strukturkomponenten. Für den Antrieb von Trägerraketen, insbesondere Raketentriebwerken, ist der Einsatz von Laser-AM von großem Vorteil.

Zu den Vorteilen von AM gehören die Reduzierung der Gesamtzahl der Motorteile, die Vereinfachung der Konstruktionen, das Drucken von Kühlkanälen mit einzigartigen Überhangswinkeln und ein verbesserter Schub. Ein weiterer Pluspunkt besteht darin, dass der Umgang mit Dutzenden von Teilen im Gegensatz zu Hunderten von Teilen das Risiko von Herstellungsfehlern verringert. Durch die Verwendung besserer Materialien, die speziell für AM entwickelt wurden, können eine verbesserte Wärmekapazität und Festigkeit erzielt werden, was eine höhere Motoreffizienz ermöglicht. Eine verbesserte Triebwerkseffizienz kann dazu führen, dass eine höhere Umlaufbahn erreicht oder größere Nutzlasten transportiert werden.

Die additive Fertigung eröffnet mehr Flugfenster und damit einen besseren Zugang zum Weltraum.

Eine besondere Innovation im Laser-AM – und wahrscheinlich das bestgehütete Geheimnis der additiven Fertigung – ist der Einsatz grüner Laser. Die Verwendung einer Wellenlänge im sichtbaren Spektrum von 515 nm (im Gegensatz zum nahen Infrarot oder NIR bei 1063 nm) ermöglicht eine effektivere und effektivere laseradditive Fertigung hochreflektierender Materialien wie Kupfer, Aluminium, Gold, Silber, Platin und Iridium effizient. In Kombination mit diesen reflektierenden Materialien fällt es NIR-Lasern schwer, den Strahl an das Metall zu koppeln, was zu Reflexionsverlusten, einem instabilen Schmelzbad, Spritzern und daraus resultierender Porosität im gedruckten Teil führen kann. Die grüne Lasertechnologie wurde auf der traditionellen Seite des Laserschneidens und -schweißens entwickelt und ist für die Verarbeitung solcher Materialien sinnvoller, wenn sie auf den 3D-Druck angewendet wird. Die grüne Lasertechnologie erzielt Ergebnisse mit höherer Dichte, geringerer Porosität, besserer Oberflächenbeschaffenheit, weniger Spritzern und verbesserter Produktivität. Je nach Bauteil und verwendeten Parametern kann er bis zu zehnmal schneller sein als eine IR-Laserquelle mit reinem Kupferpulver.

Das Interesse an Kupfer und Kupferlegierungen wurde durch das RAMPT-Programm (Rapid and Analysis Manufacturing Propulsion Technology) der NASA geweckt, das IR-Laser zum Drucken von Schubkammern mittels Laser-Pulverbettfusion (auch LMF – Laser Metal Fusion genannt) verwendet. Die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Kupfer im Vergleich zu Nickellegierungen ist ein zwingender Grund, die Verwendung von Kupfer für diese Anwendung zu untersuchen. Andere private Trägerunternehmen wie Launcher und Virgin Orbit haben ebenfalls große Komponenten auf Kupferlegierungsbasis sowohl durch Pulverbettverarbeitung als auch durch Laser-DED (Directed Energy Deposition – auch LMD für Laser Metal Deposition genannt) hergestellt. Die Implementierung eines Lasers mit grüner Wellenlänge auf einem stark reflektierenden Material wie Kupfer ist klar – es verbessert die Druckqualität und -geschwindigkeit.

Für die derzeit untersuchten Kupferlegierungen (C18150, GR Cop 42, GR Cop 84 und mehr) würde sich daraus ergeben, dass eine höhere Produktivität, die eine schnellere Druckgeschwindigkeit mit weniger Fehlern bietet, einen weiteren Beitrag zu einem besseren Zugang zum Raum leisten würde. TRUMPF hat auch an der Entwicklung von Kupferparametern mithilfe grüner Laseradditivverfahren gearbeitet, wobei sowohl Pulverbettschmelzen als auch Laser-DED oder LMD zum Einsatz kamen.

Das Schließen des Fertigungskreislaufs für die Weltraumforschung und die Verkürzung der Vorlaufzeit durch den Einsatz additiver Technologien in diesen Prozessen führen zu einer größeren Anzahl von Flugfenstern für das endgültige Fahrzeug. Die zunehmende Verfügbarkeit von Flugfenstern, höheren Umlaufbahnen und größeren Nutzlasten eröffnet mehr Möglichkeiten, ins All zu fliegen, sei es für den Weltraumtourismus oder zur Lieferung von Kommunikationsgeräten, Sonden, Teleskopen und mehr. Es ist eine aufregende Zeit für die Erforschung des Weltraums, und jetzt ist das Geheimnis gelüftet. Grüne Lasertechnologie ist der Schlüssel zur Erschließung des Weltraums.

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