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Es ist nicht ganz so, als würde man nach „Tee, Earl Grey, heiß“ fragen und ein dampfendes Getränk erscheinen lassen, aber fast. Die Electron Beam Freeform Fabrication, die im Langley Research Center der NASA entwickelt wurde, ist eine Ingenieursversion des Science-Fiction-Replikators auf Star Trek. „Man beginnt mit einer Zeichnung des Teils, das man bauen möchte, man drückt einen Knopf und heraus kommt das Teil“, sagt Karen Taminger, Technologieleiterin des Fundamental Aeronautics Program der NASA.
Elektronenstrahl-Freiform-Fertigungsverfahren. Bildnachweis: NASA
Electron Beam Freeform Fabrication oder EBF3150 stellt Teile für Flugzeuge her – keine Lebensmittel und Getränke – und verwendet einen umweltfreundlichen Konstruktionsprozess, um geschichtete Metallobjekte herzustellen. Diese Technik könnte die Luftfahrtindustrie revolutionieren und könnte auch Anwendungen für zukünftige Raumfahrzeuge und die medizinische Gemeinschaft haben. Es kann verwendet werden, um kleine, detaillierte Teile oder große Strukturteile von Flugzeugen herzustellen.
EBF3150 arbeitet in einer Vakuumkammer, in der ein Elektronenstrahl auf eine ständig zugeführte Metallquelle fokussiert wird, die geschmolzen und dann Schicht für Schicht auf eine rotierende Oberfläche aufgetragen wird, bis das Teil fertig ist. Eine detaillierte dreidimensionale Querschnittszeichnung des Teils wird in den Computer des Geräts eingegeben und gibt Aufschluss darüber, wie das Teil von innen nach außen gebaut werden soll. Dieser leitet den Elektronenstrahl und das einströmende Metall zur Herstellung des Objekts und baut es Schicht für Schicht auf.
Kommerzielle Anwendungen für EBF3150 seien bereits bekannt und ihr Potenzial bereits getestet, sagte Taminger. Es sei möglich, dass in einigen Jahren einige Flugzeuge mit Teilen fliegen, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden.
Die verwendeten Metalle müssen mit dem Elektronenstrahl kompatibel sein, damit dieser durch den Energiestrom erhitzt und kurzzeitig in flüssige Form gebracht werden kann. Aluminium ist ein idealer Werkstoff, aber auch andere Metalle können verwendet werden. Tatsächlich kann der EBF3150 zwei verschiedene Quellen des Ausgangsmetalls gleichzeitig verarbeiten, entweder indem er sie zu einer einzigartigen Legierung zusammenmischt oder ein Material in ein anderes einbettet, z. Dies ermöglicht die Platzierung von Sensoren in Bereichen, die zuvor unmöglich waren, sagte Taminger.
Strukturmetallteil aus EBF3 hergestellt. Bildnachweis: NASA
Während die am Boden getestete EBF3-Ausrüstung ziemlich groß und schwer ist, wurde eine kleinere Version entwickelt und erfolgreich auf einem NASA-Jet getestet, der den Forschern für kurze Zeiträume der Schwerelosigkeit dient. Der nächste Schritt sei, eine Demonstration der Hardware auf der Internationalen Raumstation zu fliegen, sagte Taminger.
Künftige Besatzungen der Mondbasis könnten EBF3 verwenden, um bei Bedarf Ersatzteile herzustellen, anstatt sich auf die von der Erde gestarteten Teile zu verlassen. Astronauten könnten in der Lage sein, Rohstoffe aus dem Mondboden abzubauen oder sogar gebrauchte Landungsstufen zu recyceln, indem sie sie schmelzen.
Das unmittelbare und größte Potenzial für den Prozess liegt jedoch in der Luftfahrtindustrie, wo wichtige Struktursegmente eines Verkehrsflugzeugs oder Gehäuse für ein Düsentriebwerk für etwa 1.000 US-Dollar pro Pfund weniger als mit herkömmlichen Mitteln hergestellt werden könnten, sagte Taminger.
Das Gerät ist umweltfreundlich, da seine einzigartige Herstellungstechnik die Abfallmenge reduziert. Normalerweise könnte ein Flugzeugbauer mit einem 6.000-Pfund-Titanblock beginnen und ihn auf ein 300-Pfund-Teil zerspanen, wobei 5.700 Pfund Material übrig bleiben, das recycelt werden muss und mehrere tausend Gallonen Schneidflüssigkeit im Prozess verwendet werden.
„Mit EBF3 können Sie das gleiche Teil mit nur 350 Pfund Titan aufbauen und nur 50 Pfund wegfräsen, um das Teil in seine endgültige Konfiguration zu bringen“, sagte Taminger. „Und das EBF3-Verfahren verbraucht viel weniger Strom, um das gleiche Teil herzustellen.“
Während die ersten Teile für die Luftfahrtindustrie einfache Formen haben werden, die bereits konstruierte Teile ersetzen, könnten zukünftige Teile, die mit dem EBF3150-Prozess von Grund auf neu entwickelt wurden, zu Verbesserungen bei der Effizienz von Düsentriebwerken, der Kraftstoffverbrennungsrate und der Lebensdauer der Komponenten führen.
„Es liegt viel Kraft darin, Ihr Teil Schicht für Schicht aufzubauen, weil Sie innere Hohlräume und Komplexitäten erhalten, die bei der Bearbeitung aus einem massiven Materialblock nicht möglich sind“, sagte Taminger.
Für mehr Informationen, Sehen Sie sich die Präsentation von Karen Taminger zum EBF3150 an.
Quelle: NASA