09 Sep. Multimetall-3-D-Druck für zylindrische Bauteile
Für fast alle modernen Raketentriebwerke wird heute 3-D-Druck eingesetzt, weil sich damit Struktur und Funktion besonders präzise verbinden lässt. Studierende der ETH Zürich haben dafür nun den nach eigenen Angaben schnellsten Multimaterial-Metalldrucker gebaut: Die neue Laserschmelzmaschine dreht beim Drucken Pulver- und Gasdüsen gleichzeitig mit. So verarbeitet sie mehrere Metalle in einem Durchgang ohne Pausen. Die Maschine könnte laut den Studierenden den 3-D-Druck von Metallteilen grundlegend verändern, indem sie die Produktionszeit und die Kosten deutlich senkt.
Sechs Bachelor-Studierende im fünften und sechsten Semester entwickelten die Maschine im Rahmen des Fokus-Projekts ‚Rapture‘ am Labor für neue Fertigungstechnologien unter der Leitung von ETH-Professor Markus Bambach und Wissenschaftler Michael Tucker. In nur neun Monaten haben die Studierenden die Idee in konkrete Pläne umgesetzt, gebaut und getestet. Die Maschine eignet sich besonders für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen zylindrische Bauteile gefragt sind – etwa Raketendüsen oder Turbinen. Sie ist aber auch für den allgemeinen Maschinenbau interessant, erklären die Studierenden.
Raketendüse aus mehreren Metallen
Damit Raketendüsen die extreme Hitze und den hohen Druck während eines längeren Starts aushalten, sollten sie idealerweise aus mehreren Metallen bestehen. So kann das Innere einer Düse aus wärmeleitendem Kupfer mit integrierten Kühlkanälen bestehen, während die Außenseite aus einer hitzebeständigen Nickellegierung gefertigt wird. „Für kleinere Akteure wie das studentische Raketenteam war eine solche Multimetall-Technologie bislang zu aufwendig und zu teuer“, sagt Tucker.
Projektleiter Tucker erklärt, dass das Vorhaben aus einer sehr konkreten Herausforderung entstand: Aris, die ‚Swiss Academic Space Initiative‘, entwickelt eigene Raketen und benötigt dafür spezielle Düsen für Flüssigtreibstoffe. Das studentische Team verfolgt das Ziel, in den kommenden Jahren die Kármán-Linie zu erreichen – jene international anerkannte Grenze zum Weltraum in 100 Kilometern Höhe, ab der die Atmosphäre zu dünn ist, um Flugzeuge ohne besonderen Antrieb fliegen zu lassen.
3-D-Druck in der Rotation
Kern des neuen Metalldruckers ist eine rotierende Plattform, die einen schnellen Druckprozess ermöglicht. Anders als herkömmliche rechteckige Laserschmelzanlagen, bei denen nach jeder verschmolzenen Schicht eine neue Pulverschicht aufgetragen werden muss, arbeitet die Maschine von Rapture dank der rotierenden Plattform kontinuierlich: Die Maschine kann gleichzeitig Pulver auftragen und es vom Laser verschmelzen lassen. Dadurch steigt die Produktivität deutlich. Bei den zylindrischen Bauteilen verkürzt sich die Fertigungszeit auf weniger als einen Drittel.
Raketendüsen, rotierende Triebwerke und zahlreiche Bauteile in der Luft- und Raumfahrt seien ideal für diesen Prozess, sagt Tucker. Sie hätten typischerweise einen großen Durchmesser, aber sehr dünne Wände. Die Maschine kann zwar auch nicht-achsensymmetrische Teile oder ganze Anordnungen von Bauteilen herstellen, doch für ringförmige Geometrien ist das rotierende Verfahren besonders effizient.
Links eine herkömmliche 3-D-Druckmaschine, rechts die rotierende Maschine, bei der der Laser das Pulver kontinuierlich verschmelzt. Bild: Michael Tucker / ETH Zürich
Zwei Metalle ein einem Prozess verarbeiten
Die rotierende Maschine kann in einem Durchgang zwei verschiedene Metalle gleichzeitig verarbeiten. Das neue Verfahren trägt das Material nur dort auf, wo es am Bauteil tatsächlich benötigt wird und spart somit Material. Dazu bläst die Maschine ein spezielles Gas über die Stelle, an der das Pulver verschmilzt, um den Prozess zu stabilisieren. Stickstoff verhindert, dass das Bauteil, während es gedruckt wird, oxidiert. Ruß, Spritzer und andere Nebenprodukte werden über einen Abzug gezielt entfernt. „Wir haben anfangs unterschätzt, wie stark diese Gasströmungs-Vorrichtung die Qualität des Produkts beeinflusst“, sagt Tucker. „Heute wissen wir: Sie ist entscheidend.“ Dank der rotierenden Architektur der neu entwickelten Maschine lassen sich die Gasströme am Bearbeitungspunkt viel genauer steuern als bei herkömmlichen Anlagen.
Synchronisation aller Komponenten
Bei der Entwicklung der neuartigen Laserschmelzmaschine mussten die Studierenden mehrere technische Hürden überwinden. Eine davon war, den Laserstrahl mit der Rotation der Gaszufuhr und der Pulverversorgung exakt zu synchronisieren. Viele der für die Maschine benötigte Bauteile gab es nicht im Handel, also entwarf das Team sie selbst. Dazu zählen eine drehbare Verbindung für das Gaszufuhrsystem und ein System, das das Pulver während des Betriebs automatisch nachfüllt. Trotzdem gelang es dem Studententeam, eine Maschine zu bauen, die fast industrietauglich aussieht. Für Tucker war dies einer der Höhepunkte des Fokus-Projekts: „Dass ein Studierendenteam in neun Monaten eine funktionsfähige Maschine entwickelt und baut, ist außergewöhnlich.“
Ein fertiggestellter Leitkranz für eine Hochdruckturbine mit einem Durchmesser von 75 Millimetern. Bild: Michael Tucker / ETH Zürich
Potenzial für Raumfahrt, E-Mobilität und mehr
Das Team sieht neben dem konkreten Einsatz für Aris und generell für die Raumfahrtindustrie auch Anwendungsmöglichkeiten in anderen Bereichen, etwa bei Flugzeug- oder Gasturbinen sowie für Elektromotoren, bei denen ringförmige Geometrien typisch sind. Aufgrund der Neuartigkeit und des großen wirtschaftlichen Potenzials hat die ETH nach eigenen Angaben für die rotierende Multimetall-Laserschmelztechnologie ein Patent angemeldet. Inzwischen ist sie auch für den ETH Spark Award nominiert.
Die bisherigen mit dem Prototyp hergestellten Bauteile haben einen Durchmesser bis zu 20 Zentimetern. Das Forschungsteam arbeitet nun daran, den Prozess auf höhere Geschwindigkeiten und größere Durchmesser zu skalieren. Dafür suchen die Forschenden derzeit Industriepartner, die die Technologie gemeinsam mit ihnen weiterentwickeln und anwenden möchten.
Literaturhinweis:
[M. Bambach, M.R. Tucker: Design and analyses of powder deposition, gas flow, and productivity for a rotary laser powder bed fusion system; CIRP Annals – Manufacturing Technology, 2025, https://doi.org/10.1016/j.cirp.2025.04.005]
Quelle: ethz.ch
Bild: Michael Tucker / ETH Zürich