Kurzbeschreibung
Titan ist einer der Leichtbauwerkstoffe, der in vielen Hochleistungsanwendungen zum Einsatz kommt. Ein wesentlicher Nachteil von Titan ist allerdings, dass die Herstellung sehr energieaufwendig ist. Titan Werkstoffe kommen häufig in Leichtbau zum Einsatz, beispielsweise in Transport Anwendungen wo die spezifischen Eigenschaften sehr wichtig sind. In diesen Einsatzgebieten werden zudem – aufgrund von hohen Werkstoffanforderungen – Bauteile aus dem „Vollen“ zerspant, sodass mitunter bis zu 80% des Rohstoffes direkt in Späne übergeführt wird.
In Europa gibt es relativ wenige Hersteller von Titan Produkten, allerdings viele Dienstleister, die Titan Werkstoffe zerspanen und verarbeiten. Aus diesem Grund stellt die Nutzung von Spänen aus der mechanischen Fertigung und der direkten Konvertierung in Produkte eine wertvolle Rohstoffquelle in Europa dar, die zudem energetisch betrachtet vorteilhafter ist gegenüber dem kompletten Rezyklieren der Späne oder deren „downcycling“.
RHP Technology ist einer der wenigen Firmen in Österreich sowie auch in Europa, die sich mit der Plasma basierten additiven Fertigung beschäftigen und hier vor allem auf die Herstellung von großen Strukturbauteilen aus Titan Werkstoffen abzielen. Im Rahmen einer Studie für die Weltraum Agentur ESA konnte an einem Demo Bauteil der Vorteil des sogenannten Plasma Metal Deposition (PMD®) demonstriert werden. In diesem Fall wurde Draht bzw. Pulver als Ausgangsmaterial verwendet und daraus ein endformnahes Bauteil erzeugt, welches anschließend nur noch minimal bearbeitet werden musste. Über diesen Fertigungsansatz konnte ein Bauteil, das ursprünglich 200 kg Rohmaterial erforderte, mit einem Einsatz deutlich reduzierten Gewicht von weniger als 45 kg in Form von Pulver bzw. Draht endformnah aufgebaut werden [1].
Im Rahmen dieses Projektes ist das Ziel, Späne aus der mechanischen Bearbeitung von Titan Werkstoffen so aufzubereiten, dass diese direkt mit der PMD® Technologie prozessiert werden können und so aus den Spänen entweder Ronden, Platten oder im Idealfall direkt ein endformnahes 3D Bauteil erzeugt werden kann. Dadurch wird vermieden, dass die wertvollen Späne über komplexe Aufbereitungsprozesse in den Standardprozess integriert werden und somit mit deutlich weniger Energieeinsatz im direkten Weg über den PMD® Prozess ein neues Bauteil entstehen kann.
In ersten Versuchen konnte RHP bereits zeigen, dass der Ansatz prinzipiell funktioniert. Ziel der Sondierung ist es, verschiedene Konzepte und Ansätze zu erproben und dabei auch die Möglichkeit zum Mikro-Legieren der Werkstoffe zu nutzen.
Ein Konzept besteht dabei in der Aufbereitung, Klassifizierung und Reinigung der Späne, bevor diese direkt in den Plasma-Lichtbogen eingebracht werden und damit ein Bauteil oder Halbzeug ohne Energie intensive Umwege hergestellt werden kann.
Neben der direkten Nutzung der Späne besteht eine weitere Option in der Kombination der Späne mit Pulver, wodurch die Reinheiten des Werkstoffes sowie auch Kontaminationen wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff bis zu einem gewissen Grad eingestellt/verringert werden können. Im Zuge der Aufbereitung der Späne bzw. dem Vermengen mit Pulver können auch Legierungselemente zugesetzt werden, die die Eigenschaften in positiver Weise beeinflussen.
RHP hat mittlerweile auch eine weitere Möglichkeit die Oberflächen von Pulver, Partikel oder Späne zu beeinflussen durch den Einsatz von Nanosuspensionen, die direkt an der Oberfläche von Partikeln eine Schicht von einigen Mikrometern erzeugen. Dadurch ist es möglich, durch gezieltes Mikrolegieren eine Modifikation der Werkstoffe vorzunehmen und damit die Eigenschaften zu verbessern. Diese Technologie wird eingesetzt, um die Späne zu funktionalisieren und in weiterer Folge durch den PMD® Prozess verbesserte Titanlegierungen zu erzielen.
Die wesentlichen Herausforderungen der Sondierung sind dabei
•die Untersuchung von unterschiedlichen Methoden zur Aufbereitung von Titan-Spänen, sodass diese automatisiert in den Plasma Lichtbogen gefördert werden können
•das Überführen der Späne mittels PMD® Prozess in Platten, Ronden oder 3D Strukturen
•das Sicherstellen der Werkstoff-Eigenschaften, d.h. Porenfreiheit sowie auch Kontrolle der Verunreinigungen
•die Untersuchung des Mikro-Legierens der Späne durch Modifikation der Oberfläche in Kombination mit der Herstellung über das PMD Verfahren
•die Kontrolle der Verunreinigungen sowie die Analyse der Werkstoffeigenschaften
[1] https://business.esa.int/news/%E2%80%98eye%E2%80%99-athens-%E2%80%93-newest-esa-telescope-will-hunt-for-objects-universal-scale