3D-Druck für Luft- und Raumfahrt

MoMn-metallisierte Alumina-Kühlplatten

Die MoMn-Metallisierung (Molybdän-Mangan) ist ein bewährtes Verfahren, um technische Keramiken zuverlässig mit Metallen zu verbinden. Eine auf die Keramik aufgebrachte und eingebrannte MoMn-Schicht ermöglicht anschließend eine Vernickelung und damit hermetisches Hartlöten, Löten oder Schweißen. Das Verfahren wird insbesondere für hochzuverlässige Elektronik, Vakuumsysteme, HF-Anwendungen und Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

MoMn eignet sich sowohl für hochreines Aluminiumoxid (Al₂O₃) als auch für Aluminiumnitrid (AlN). Während Al₂O₃ hervorragende elektrische Isolation und mechanische Stabilität bietet, zeichnet sich AlN durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit aus.

In Kombination mit der Lithoz LCM® 3D-Drucktechnologie ermöglicht MoMn die Integration komplexer, innenliegender Kühlkanäle in keramische Komponenten. Nach Druck und Sinterung werden die Bauteile von Sigma Advanced Materials metallisiert und können anschließend über konventionelle Hartlötverfahren hermetisch in elektronische Baugruppen integriert werden. So entstehen leistungsfähige Lösungen für anspruchsvolle Anwendungen in Elektronik, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt, HF-Technik und Sensorik.

Ölkühler / Wärmetauscher für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt

Dieser 3D-gedruckte Ölkühler aus Aluminiumnitrid (LithaFlux 211) vereint eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit vollständiger elektrischer Isolierung und ermöglicht so im Vergleich zu herkömmlichen Metalllösungen eine sicherere Integration in der Nähe von elektrifizierten Systemen. Seine überragende Hochtemperatur- und Chemikalienbeständigkeit gewährleistet einen langlebigen Betrieb in heißen, verunreinigten Ölen. Darüber hinaus bietet er im Vergleich zu herkömmlichen Metallkühlern eine bessere Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) und ein besseres dielektrisches Verhalten für die Integration von Sensoren und Elektronik.

Diese hochkomplexen internen Kühlstrukturen ließen sich mit herkömmlichen Keramikverarbeitungsverfahren nicht herstellen und sind nur dank der geometrischen Gestaltungsfreiheit möglich, die die Lithoz LCM-Technologie bietet. Das Design ermöglicht ultrakompakte, leichte Wärmetauscher mit hohem Wärmefluss durch dünnwandige, dichte Mikrokanalarchitekturen. Dadurch bietet der Kühler eine hohe thermische Leistung, ein geringeres Gewicht und verbesserte Integrationsmöglichkeiten für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt.

Gefertigt von Mitsui Kinzoku

3D-gedruckte Keramikkerne für Superlegierungs-Flugzeugturbinen

Unsere hochpräzise LCM-Technologie revolutioniert die Turbinenentwicklung. Sie ermöglicht hochkomplexe Keramikgusskerne, die den hohen Kühlungsanforderungen zukünftiger Flugzeugtriebwerke gerecht werden. Das ist ein entscheidender Faktor, um durch höhere Turbineneintrittstemperaturen Emissionen zu reduzieren.

Solche Kerne werden bereits in Serie produziert und stellen eine bewährte Lösung für Triebwerkskonstruktionen der nächsten Generation dar. Durch die Integration komplexer Kühlkanäle während des Gießprozesses ermöglicht die LCM-Technologie die Herstellung von Komponenten, die den extremen Bedingungen der modernen Luftfahrt standhalten.

Da keine kostspieligen Formen oder langwierigen Umrüstungen erforderlich sind, verkürzt LCM die Entwicklungszyklen drastisch und beschleunigt die Markteinführung. Die einzigartige Kombination aus Präzision und Effizienz läutet eine neue Ära in der Luft- und Raumfahrtfertigung ein und erreicht Leistungsniveaus, die mit herkömmlichen Keramikverfahren niemals möglich wären.

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PT100-Temperatursensor von CADdent

Seit 2023 ist CADDent Fertigungsdienstleister des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) für die Entwicklung und anschließende Fertigung von Kleinserienteilen für die Mess- und Sensortechnikgruppe der Flugversuchsanlage. Dieser PT100-Sensor wird für Flugexperimente mit dem Flugzeug „HALO“ (High Altitude and Long Range Research Aircraft) benötigt.

Eine Besonderheit dieses für die Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelten PT100-Sensors ist, dass der Sensorkopf im keramischen 3D-Druckverfahren aus Zirkoniumdioxid hergestellt wurde. Dank der additiven Fertigung konnte die Wandstärke des Sensors auf nur 0,3 mm im Kopfbereich und 0,5 mm im übrigen Bereich reduziert werden. Anschließend wurde ein 0,025 mm dünner Platindraht um den Kopfbereich gewickelt und mit dem Kupferdraht verlötet.

Dieser Temperatursensor besteht teilweise aus Platin (Pt) und hat bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ohm (Ω). Durch intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit konnte das Design angepasst und die Topologie des Sensors optimiert werden.

Der PT100-Sensor profitiert von den hervorragenden Materialeigenschaften von Zirkoniumdioxid, wie z. B. der sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeit (2,5 - 3,0 W/m*K) und der extrem hohen Temperaturbeständigkeit. Darüber hinaus besteht der Sensoranschluss aus Aluminiumoxid und die Verbindung aus Kobalt-Chrom mit Hilfe der 3D-Drucktechnologie.

Lesen Sie das Use Case hier.

HF-Filter und -Resonator aus dielektrischen Keramiken

Hochfrequenz- und Mikrowellenfilter sind wichtige elektronische Schaltungen, die die Signalqualität verbessern und Störungen in Kommunikationssystemen wie Satellitenkommunikation, Radar und Avionik minimieren. Der keramische 3D-Druck ermöglicht die Herstellung hochentwickelter Resonatoren mit einer breiten Palette von Formen, Ordnungen und Bandbreiten, die in ein einziges Bauteil integriert werden können, um Leistung, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit zu optimieren und daneben den Herstellungsprozess wesentlich einfacher gestalten.

HF-Filter aus dielektrischen Keramiken spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung einer zuverlässigen und genauen Kommunikation in Hochfrequenzbändern. Aufgrund der unwirtlichen Bedingungen, denen sie standhalten müssen, müssen diese Filter sehr leistungsfähig sein und strenge Anforderungen an Zuverlässigkeit und Leistung erfüllen. Die wünschenswerten Materialeigenschaften von Keramik eignen sich hervorragend, um diese Anforderungen zu erfüllen. Sie gewährleisten Langlebigkeit und ausgezeichnete Stabilität über Temperatur und Zeit und ermöglichen gleichzeitig die Miniaturisierung dieser Filter, um das Gewicht zu reduzieren - eine erfolgreiche Schlüsselformel in Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Miniaturisierte Aerospike-Düse aus Siliciumnitrid

Um mit der Entwicklung immer leistungsfähigerer Raketentriebwerke Schritt zu halten, haben auch die Düsenkonstruktionen eine bedeutende Entwicklung durchlaufen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen glockenartigen Düsenkonstruktionen wird bei der Aerospike-Düse ein spießförmiger Körper verwendet, um den Gasfluss zu lenken. Diese einzigartige offene Geometrie ermöglicht eine passive Druckanpassung an die Umgebungsluft. So arbeiten Aerospike-Düsen immer unter optimalen Abgasbedingungen.

Moderne 3D-Druckverfahren ermöglichen nun die Herstellung komplexer Strukturen, die für die Kühlung innerhalb der Düse erforderlich sind. Um weitere Anforderungen an die thermische Kontrolle zu erfüllen, bietet das Lithoz LCM-Verfahren eine Methode, um die hervorragenden thermischen Eigenschaften von Keramiken wie zum Beispiel Siliciumnitrid, zu nutzen. Diese neue, vielversprechende Methode lässt darauf hoffen, den Grundstein für die zukünftige Antriebstechnologie zu legen.

Keramikkerne für Industriegasturbinen

Die Anforderungen an die Herstellung neuer Designs von mehrflügeligen, komplexen, schmalen Kernen gehen weit über die Grenzen der bekannten konventionellen form- und werkzeugbasierten Verfahren hinaus. Die hochpräzisen CeraFab-3D Drucksysteme bieten eine werkzeugunabhängige Lösung, die dank der Designfreiheit der additiven Fertigung die Produktion bisher nicht realisierbarer komplexer Designs ermöglicht.

Mit der Lithoz LCM Technologie können Gusskerne bis zu einer Größe von 500 mm hergestellt werden. Lithoz bietet eine zuverlässig skalierbare und effiziente Lösung, die vom Prototyping bis zur Herstellung großer Kerne für industrielle Gasturbinen alle Anforderungen perfekt abbilden kann.

Mehrschichtige Gusskernmodelle

Diese mehrschichtigen Gusskerne weisen innovative, komplexe innere Strukturen für ein optimiertes Wärmemanagement auf. Inspiriert von organischen Mustern, die in der Natur vorkommen, werden die Formen mathematisch generiert, um die Wärme auf die effizienteste Weise abzuleiten, indem die größtmögliche Oberfläche im vorgegebenen Volumen bereitgestellt wird. Diese Strukturen lassen sich mit herkömmlichen Feingussverfahren nicht mehr umsetzen und wurden stattdessen mit der Lithoz LCM-Technologie am Fraunhofer-Institut IKTS in Dresden hergestellt. Um Masseanhäufungen zu vermeiden, haben die Gusskerne im Durchschnitt eine Wandstärke von 1,5 - 2 mm. Das hier gezeigte 3D-gedruckte Bauteil hat eine Wandstärke von < 1 mm.

Mit LithaCore Material auf einem Lithoz CeraFab Industriedrucker hergestellt, werden diese mehrschichtigen Bauteile auch unter extremen chemischen und thermischen Bedingungen eine deutliche Leistungssteigerung aufweisen. Sie eröffnen völlig neue Möglichkeiten zur Formung hochkomplexer 3D-gedruckter Wärmetauscherstrukturen, die im herkömmlichen Feingussverfahren eingesetzt werden können und hier ein wesentliche Innovationspotential eröffnen.