Oberflächentechnik für die generative Fertigung

Eine Schwachstelle der additiven Fertigung ist derzeit noch die Oberfläche, die je nach Fertigungsverfahren sehr unterschiedlich sein kann. Am Fraunhofer IST werden daher additiv gefertigte Bauteile galvanisch metallisiert und mit den gewünschten Oberflächeneigenschaften versehen.

mehr Info

Strukturen für Umströmungs­untersuchungen

Um thermische Schutzschilde von Wiedereintrittskörpern in der Raumfahrt richtig dimensionieren zu können, werden sie in Windkanaluntersuchungen untersucht. Hierfür wurden am Fraunhofer IST Mikrostrukturen mit unterschiedlicher Rauigkeit auf einer generischen Apollokapsel hergestellt.

mehr Info

Strahlteiler mit geringem Wellenfrontfehler

Im Rahmen eines Projekts der Europäischen Weltraumorganisation ESA hat das Fraunhofer IST einen breitbandigen Strahlteiler mit sehr geringem Wellenfrontfehler (20 nm rms) entwickelt.

mehr Info

CFK-Spiegel für den Weltraum

Optische Spiegel für Weltraumanwendungen müssen wegen der ständig wechselnden thermischen Belastungen im Weltraum eine außerordentliche Stabiltität aufweisen. Am Fraunhofer IST wird daher an einer deutlich leichteren Alternative gearbeitet.

mehr Info

Funktionsschichten für Wettersatelliten

Präzise und zuverlässige Wettervorhersagen können Leben retten und dabei helfen, die weltweiten Auswirkungen von Wetterkatastrophen zu mildern. Schichten des Fraunhofer IST sollen dabei helfen.

mehr Info

Gasfluss-gesputterte Wärmedämmschichten

Für einen effizienteren Betrieb von Gasturbinen bei höchsten Temperaturen müssen die eingesetzten metallischen Werkstoffe vor Heißgas-Korrosion und vor Überhitzung geschützt werden. Mit dem am Fraunhofer IST entwickelten Gasfluss-Sputterverfahren (GFS) können neuartige und vielversprechende keramische Wärmedämmschichten für hochbelastete Bauteile hergestellt werden.

mehr Info

Oberflächentechnik für die generative Fertigung von Polymerbauteilen

Die Additive Fertigung als Produktionsverfahren für die Herstellung von Bauteilen und Komponenten nimmt heute, und mehr noch in der Zukunft eine bedeutende Rolle ein. Das Design hochkomplexer Geometrien gepaart mit den unterschiedlichsten Materialien wie Metallen, Keramiken oder Kunststoffen eröffnen eine Vielfalt, die mit den traditionellen Herstellungsverfahren wie Drehen oder Fräsen nicht möglich sind. Eine Schwachstelle der additiven Fertigung ist derzeit noch die Oberfläche, die je nach Fertigungsverfahren sehr unterschiedlich sein kann. Das kann zu Problemen im Einsatz der Bauteile führen und erfordert eventuell eine Oberflächenbehandlung. Am Fraunhofer IST werden daher additiv gefertigte Bauteile galvanisch metallisiert und mit den gewünschten Oberflächeneigenschaften versehen.

Metallisiertes Strukturbauteil aus PEEK.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

Metallisiertes Strukturbauteil aus PEEK.

Ansteigender E-Modul von beschichteten Polymeren (PEEK und PA) bei zunehmender Schichtdicke.
© Fraunhofer IST

Ansteigender E-Modul von beschichteten Polymeren (PEEK und PA) bei zunehmender Schichtdicke.

Strukturbauteile in der Raumfahrt

Bisher werden in der Raumfahrt sogenannte Strukturbauteile, d. h. Halterungen, Verbindungsstücke o.ä. aus Metall mit herkömmlichen Verfahren wie Drehen oder Fräsen gefertigt. Diese Teile sind schwer und, bedingt durch die Fertigungsverfahren nicht immer optimal im Design. Werden diese Bauteile mittels additiver Verfahren hergestellt, so lassen sie sich vorteilhafter konstruieren, zum Beispiel, um Gewicht zu sparen oder verbesserte mechanische Eigenschaften zu erhalten. Ersetzt man den Werkstoff Metall durch Kunststoffe, so kann man das Gewicht noch weiter reduzieren. Allerdings haben Kunststoffe gegenüber Metallen einige Nachteile, beispielsweise sind sie ohne entsprechende Beschichtung nicht leitfähig.

Die Eigenschaften von Kunststoffen

In einem vom DLR im Rahmen des Programms »InnoSpace Masters« geförderten Forschungsprojekt AMPFORS (Additive Manufacturing of Polymer Parts for Space) wird daher am Fraunhofer IST zusammen mit der Firma OHB AG in Bremen sowie der Rauch CNC Manufaktur in Baden-Baden untersucht, wie die Metallisierung von additiv hergestellten Bauteilen aus Kunststoff die Eigenschaften verbessern kann. Diese Bauteile sollen in der Raumfahrt eingesetzt werden und müssen eine Vielzahl besonderer Eigenschaften erfüllen. So neigen Polymere im Vakuum zum Ausgasen von Wasser oder nicht reagiertem Monomer, das sich auf optischen Instrumenten niederschlagen und ihre Funktion beeinträchtigen kann. Auch müssen die Oberflächen leitfähig sein, um eine elektrische Aufladung der Teile im Weltraum zu verhindern.

Beschichtung der Bauteile

Innerhalb des Projekts werden aus dem Hochleistungskunststoff PEEK sowie dem Konstruktionskunststoff Polyamid Bauteile mit Hilfe des additiven Fertigungsverfahrens SLS (Selective Laser Sintering) hergestellt. Diese Teile wurden im Anschluss am Fraunhofer IST galvanisch metallisiert und getestet. Als Metall wurde eine Nickelschicht mit unterschiedlichen Schichtdicken von 0 – 150 µm aufgebracht. Erste Untersuchungen zeigen, dass die Metallschichten haftfest auf den Kunststoffoberflächen aufgebracht werden können. Der für Raumfahrtanwendungen wichtige Hafttest ECSS-Q-ST-70-17C, ein Thermoschocktest, wurde erfolgreich durchgeführt. Ebenso zeigte sich, dass die mechanischen Eigenschaften durch die Metallisierung dramatisch verbessert wurden. So steigt zum Beispiel der E-Modul von unbeschichtetem PEEK von 4,8 GPa auf 20 GPa bei einer Schichtdicke von 150µm Nickel auf dem Kunststoff. Ähnlich verhält es sich mit Polyamid (PA), wo sich der E-Modul von 1,5 GPa auf 12,5 GPa (vgl. nebenstehende untere Abbildung) erhöht. Biege- und Kompressionsmodul steigen entsprechend.

Ausblick

Im weiteren Rahmen des Projekts muss geklärt werden, inwieweit die mögliche Geometrieoptimierung die Metallisierung beeinträchtigt. Galvanische Verfahren leiden darunter, dass sich komplexe geometrische Strukturen nur noch bedingt metallisieren lassen, da das notwendige elektrische Feld häufig abgeschirmt wird.

 

Weitere Beiträge aus dem Bereich Luft- und Raumfahrt finden Sie hier.