Neue 3-D-Drucktechnik stellt Keramikteile her

Eine neue Methode zur Herstellung dieser robusten Materialien könnte ein entscheidender Schritt zur Herstellung besserer Flugzeugtriebwerke und langlebiger Maschinenteile sein.19. April 2016

Keramik gehört zu den härtesten Materialien der Erde. Sie können extremen Temperaturen standhalten und einige sind unempfindlich gegen Reibung, Kratzer und andere mechanische Belastungen, die Metall und Kunststoff verschleißen. Aber es kann schwierig sein, komplexe Formen aus den Materialien zu machen.

Chemieingenieur Zak Eckel und Gruppenleiter Tobias Schaedler.



Chemiker der HRL Laboratories in Malibu, Kalifornien, haben dieses Problem möglicherweise umgangen, indem sie Keramiken entwickelt haben, die in einem 3-D-Drucker hergestellt werden können. Das Ergebnis: ultrafeste Objekte, die mit herkömmlichen Methoden nicht herzustellen sind.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 2016

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Keramik wird heute in Bremsbelägen, Gehäusen von Mikroelektronik und Wärmeschutzkacheln (wie in Raumfahrzeugen) verwendet. Nun versuchen die Wissenschaftler am HRL, die Anwendungen erheblich zu erweitern. Würden beispielsweise Teile für Flugzeugtriebwerke aus Keramik gefertigt, könnten die Triebwerke bei einer höheren Temperatur laufen und ihre Effizienz steigern.
Keramik könnte auch eine Verbesserung für Teile bieten, die in Dampfturbinen und anderen Maschinen verwendet werden, die sengenden, mechanisch harten Bedingungen standhalten müssen. Das Labor befindet sich im gemeinsamen Besitz von Boeing und General Motors, und das Projekt wird teilweise von DARPA, der Forschungs- und Entwicklungsabteilung des US-Verteidigungsministeriums, finanziert.

Links: Dieser Harzbecher enthält Polymervorläufer, die durch einen 3D-Drucker geleitet werden können, um Objekte herzustellen. Rechts: Im Drucker trifft ultraviolettes Licht auf das Harz und härtet es aus, um die Dinge Schicht für Schicht aufzubauen.

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Links: Dieser Harzbecher enthält Polymervorläufer, die durch einen 3D-Drucker geleitet werden können, um Objekte herzustellen. Rechts: Im Drucker trifft ultraviolettes Licht auf das Harz und härtet es aus, um die Dinge Schicht für Schicht aufzubauen.

Nach etwa 90 Minuten Druckzeit taucht dieses kleine Teil, ein Flügelrad, aus dem Harzbad auf. Laufräder werden in Dampfturbinen und anderen Maschinen verwendet, die Verschleiß und hohen Temperaturen standhalten müssen.

Links: Das gedruckte Teil wird in einem Ofen behandelt, um das Polymer zu brennen und es in eine Keramik umzuwandeln. Dabei schrumpft das Teil um etwa 30 Prozent. Rechts: Schaedler macht sich bereit, das Keramikteil aus dem 1.000 °C heißen Ofen zu ziehen.

Links: Das gedruckte Teil wird in einem Ofen behandelt, um das Polymer zu brennen und es in eine Keramik umzuwandeln. Dabei schrumpft das Teil um etwa 30 Prozent. Rechts: Schaedler macht sich bereit, das Keramikteil aus dem 1.000 °C heißen Ofen zu ziehen.

Um die Hitzebeständigkeit des Materials zu testen, setzten die HRL-Wissenschaftler es unter eine Fackel von etwa 1.200 °C.

Der Trick von HRL besteht darin, spezielle Harze zu formulieren, die als Tinte in einem Drucker verwendet werden können. Sie bestehen aus Polymeren, tragen aber in ihrer Molekularstruktur Silizium und andere Elemente, die in Keramik vorkommen. Diese Harze werden in 3-D-Drucker geladen, um Teile mit barocken Formen wie Korkenzieher und Blätter mit komplizierten Gittern herzustellen. Dann kommen diese Teile in einen Ofen, um die organischen Polymerkomponenten auszubacken, wobei Keramikmaterial zurückbleibt.

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Größere Stücke bedruckter Keramiknetze und Gitterplatten wie diese könnten verwendet werden, um Raumfahrzeuge vor extremen Temperaturen zu schützen.

Die 3-D-gedruckten Keramiken könnten in mancher Hinsicht besser sein als ihre konventionellen Pendants. Ein bei HRL hergestelltes Gitter hat die 10-fache Druckfestigkeit von handelsüblicher Keramik. Diese gedruckten Teile können auch Temperaturen von bis zu 1.700 °C aushalten, eine Temperatur, bei der andere Keramiken zu zerfallen beginnen.

Aber die Gruppe hofft immer noch, ihre bedruckte Keramik stärker zu machen. Ein Ansatz besteht darin, neuartige vorkeramische Polymere zu entwerfen, in die Fasern eingebettet sind, um die Ausbreitung von Rissen zu verhindern. Keramik ist spröde und kann mit einem Riss katastrophal versagen. Es würde nicht gehen, wenn ein winziger Defekt ein cleveres neues Teil zum Zerspringen bringt.

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