Mit Plasmaverfahren flexible dreidimensionale Komponenten herstellen
Technische Plasmen sind Gase, die elektrisch geladene Teilchen enthalten. Mit dieser Eigenschaft bringen und halten sie chemische Reaktionen in Gang. Folglich kommen Plasmen dieser Art häufig beim Reinigen, Ätzen oder Modifizieren von Werkstoffoberflächen zum Einsatz. „Wir wollten diese Methode noch einen Schritt weiterentwickeln“, erklärt Allan Matthews, Projektkoordinator von 3D Cer-Met und Professor für Oberflächentechnik und Tribologie an der Universität Manchester im Vereinigten Königreich. „Unser Projektziel bestand darin, mithilfe von Plasmen dünnwandige Metalle wie beispielsweise Aluminiumfolie in keramische Phasen umzuwandeln. In der Praxis geht es um die Erschaffung von dünnwandigen dreidimensionalen Komponenten, die sich überwiegend wie Keramik verhalten, da sie leicht und chemisch stabil sind. Tatsächlich behalten sie jedoch die Festigkeit eines Metallkerns bei.“ Matthews zeigte sich zuversichtlich, dass dieses Verfahren die Tür zur Entwicklung sehr vielfältiger neuer Produkte für medizinische Belange bis hin zu Flugzeug-/Fahrzeugteilen öffnen könnte.
Flexible Teile in 3D
Das Projekt 3D Cer-Met startete im Januar 2019, um zu untersuchen, wie dieses Verfahren realisiert werden könnte. Es baut auf der im Rahmen des ERC-finanzierten Projekts IMPUNEP durchgeführten Grundlagenarbeit auf, die sich auf die Erforschung und Anwendung von Plasmaprozessen konzentrierte. „Dieses Projekt brachte diese Forschung in die nächste Phase“, sagt Matthews. „Wir mussten lernen, wie der Prozess zu steuern ist, um die Wachstumsrate der neuen Keramikphase über eine komplexe 3D-förmige Oberfläche gleichmäßig zu halten.“ Ohne tiefergehende Erkenntnisse über die spezifischen Eigenschaften der Umwandlung von Metallen in Keramiken wäre das nicht möglich gewesen. Zu diesem Zweck musste das Forschungsteam ganz neue Forschungsmethoden entwickeln. „Anhand dieser Arbeit konnten wir die Durchführbarkeit unseres Ansatzes demonstrieren“, erläutert Matthews. „Wir stellten im Labormaßstab Prototypen komplex geformter dünnwandiger Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe her. Außerdem entwickelten wir ein Verständnis dafür, wie man den Prozess maßstabsgetreu vergrößern und auf neue Formen und Substratmaterialien übertragen kann.“ Im Endergebnis konnte das Team nachweisen, dass die Erzeugung gleichmäßiger Keramikschichten auf den Oberflächen komplexer metallischer Substrate realisierbar ist.
Ganz neue technische Chancen
Der Hauptvorteil des Ansatzes von 3D Cer-Met ist, dass er die Möglichkeit eröffnet, dünnwandige Strukturen in komplexen Formen zu erzeugen. Diese Komponenten sind äußerst widerstandsfähig gegenüber Angriffen durch aggressive saure Verbindungen und sind sowohl gegenüber niedrigen als auch hohen Temperaturen sehr tolerant. „Mit konventionellen keramischen Verarbeitungsverfahren wäre das nicht denkbar gewesen“, fügt Matthews hinzu. Das im Verlauf des Projekts 3D Cer-Met hinzugewonnene Wissen soll nun der Hochskalierung der Technologie dienen. „Großen Nutzen wird dieses Verfahren jenen Fertigungssektoren bringen, die an der Herstellung und dem Einsatz von Keramik- und Keramik-Metall-Komponenten mit verbesserter struktureller und funktioneller Leistung interessiert sind“, erklärt Matthews. „Wir sind derzeit auf der Suche nach einer Zusammenarbeit mit Industriepartnern, die an der Umsetzung dieser technischen Entwicklungen interessiert sind.“ Matthews geht davon aus, dass der nächste logische Schritt nicht nur eine Erweiterung der Technologie, sondern auch deren vielseitigere Ausprägung sei. Bedeuten würde dies, das Verfahren bei größeren Teilen sowie auf weiteren Metallsubstraten anzuwenden. „Wir erkennen überdies Potenzial in der Digitalisierung dieser Fertigungstechnik“, fügt er hinzu. „Die von uns durchgeführten Arbeiten, einschließlich der numerischen Modellierung und der digitalen Steuerung des Prozesses, bilden eine solide Grundlage für Aktivitäten in dieser Richtung.“ Im Endeffekt ist Matthews voller Zuversicht, dass dieses innovative Fertigungsverfahren zu einem nützlichen Aktivposten im Portfolio zukünftiger Fertigungstechnologien werden wird und eine umweltfreundliche und ressourceneffiziente Lösung darstellt.
Schlüsselbegriffe
3D Cer-Met, Keramik, Metall, Plasmen, Aluminium, Verbundwerkstoff, Substrate