Cambridge entwickelt lasergestütztes Kaltgasspritzen mit Potenzial für Luft- und Raumfahrtanwendungen

Das Zentrum für Industrial Photonics (CIP) des Institute of Manufacturing (IfM) an der Cambridge Universität hat eine neue Technologie entwickelt: Laser-Assisted Cold Spray (LACS, auf Deutsch: lasergestütztes Kaltgasspritzen). Das Team argumentiert, dass LACS eine Verbesserung zu den bereits vielfach verwendeten Kaltspritz-Technologien darstellt. Zudem zeigte das Team bereits die Effektivität ihrer neuen Technologie in der Luft-und Raumfahrt auf.

Vor der Entwicklung des neuen Verfahrens verwendete das IfM-Team Stickstoff als Trägergas für das Pulver. Doch sie stellten schnell fest, dass bei der Arbeit mit hochfesten Materialien wie Titan- und Aluminiumlegierungen die Verwendung von Helium für eine optimale Abscheidung unerlässlich ist. Projektleiter Professor Bill O’Neill erklärte: „Das liegt daran, dass Helium aufgrund seines geringeren Molekulargewichts höhere Partikelgeschwindigkeiten beim Kaltgasspritzen ermöglicht, was die Aufprallenergie erhöht und die Haftung auf dem Substrat verbessert.“

Die Verwendung von Helium stellte jedoch ein Problem dar: Es kostet etwa 80 Pfund pro Betriebsminute, und selbst bei modernsten Recyclingmaßnahmen konnten nur etwa 85 % des Heliums zurückgewonnen werden. Außerdem schränkten die Recyclinganlagen die Größe der herzustellenden Teile stark ein, da sie in eine Kammer mit begrenzter Größe zum Auffangen des überschüssigen Heliums passen mussten. Den Forschern war klar, dass sie eine realistischere Lösung als ein Helium-Recycling-System finden mussten – diese Überlegungen führte das Team schließlich zu Lasern als Lösungsansatz für ihr Problem

Wie lasergestützes Kaltgasspritzen funktioniert

• Eine Kaltstrahldüse trägt einen Überschall-Pulverstrom aus Feststoffpulvern auf
• Ein Laser erhitzt die Beschichtungsstelle, wodurch die Fließspannung des Substrats verringert wird, was zu einer stärkeren Verbindung zwischen den Materialien führt, ohne dass ein Schmelzen erforderlich ist

Vorteile gegenüber anderen Kaltspritz-Methoden

LACS überwindet die Hochtemperatur- und Materialbeschränkungen vergleichbarer Techniken. Die Vorteile umfassen:

• Kostenreduzierung durch die Ausschließung von Helium aus dem Prozess;
• Verbesserte Haftung und Abscheidungseffizienz, was zu stärkeren Beschichtungen als beim herkömmlichen Kaltgasspritzen führt – besonders wichtig für hochfeste Werkstoffe wie Titan und hochschmelzende Metalle;
• Die Struktur des Pulvers bleibt erhalten, da die Abscheidung mit einer geringeren Partikelgeschwindigkeit erfolgt – ein Vorteil für Materialien mit speziellen Eigenschaften, die leicht beschädigt werden können, wie z. B. nanostrukturierte Beschichtungen und Seltenerdmagnete;
• Verbesserte Materialkompatibilität, die die Abscheidung von härteren und anspruchsvolleren Materialien ermöglicht, die beim herkömmlichen Kaltgasspritzen in der Regel schlecht haften
• Geringere Eigenspannungen und Porosität dank des Wärmeeintrags des Lasers;
• Minimale thermische Beeinflussung des Substrats, Vermeidung von Phasenumwandlungen oder Verformungen, im Gegensatz zu herkömmlichen thermischen Spritzverfahren;
• Geschwindigkeit, mit Beschichtungen, die mit bis zu 10 kg pro Stunde aufgetragen werden können.
• Niedrigere Temperaturen im Gesamtprozess, da der Prozess mit Hilfe des Lasers bei niedrigeren Gastemperaturen betrieben werden kann, z. B. 400-700 oC, im Vergleich zu bis zu 1200 oC beim Kaltgasspritzen, was den Stromverbrauch senkt und die Systemkonstruktion vereinfacht;
• Die Feinabstimmung der Beschichtungseigenschaften durch die Herstellung von maßgeschneiderten Pulvern ermöglicht es, spezielle Eigenschaften wie Magnetismus, Festkörperschmierung und erhöhte Verschleißfestigkeit in die Ablagerungen einzubringen;
• Lokale Steuerung der Eigenschaften durch die Kornzusammensetzung, die es ermöglicht, die Spannungen an den Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien zu verringern.

Lasergestütztes Kaltgasspritzen in der Luft-und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrt erfordert hohe Präzision, hohe Festigkeit und relativ geringe Stückzahlen. Durch die bedarfsgerechte Herstellung hochwertiger Beschichtungen und Komponentenreparaturen bringt das LCAS ein hohes Potenzial für die Verlängerung der Lebensdauer von Flugzeugen mit sich. Lasergestütztes Kaltgasspritzen bietet eine nachhaltige, kostengünstige und effiziente Lösung für die Branche. Herkömmliche Reparaturtechniken, wie z. B. Schweißen, sind für Hochleistungsanwendungen ungeeignet, da die für das Zusammenkleben von neuem und altem Material erforderliche Hitze die Festigkeit und Zuverlässigkeit des Teils beeinträchtigt.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten

Da das lasergestützte Kaltgasspritzen Nutzern die Möglichkeit bietet, die Materialeigenschaften individuell anzupassen, bietet die Technologie ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten. O’Neill nannte die folgenden Beispiele:

• Herstellung von Leichtbaukomponenten für Elektrofahrzeuge und die Luft- und Raumfahrt
• Schaffung von Wasserstoffspeichersystemen
• Verbesserte Wartung von Windkraftanlagen
• Herstellung energieeffizienter Batterien und Brennstoffzellenkomponenten
• Entwicklung fortschrittlicher Wärmetauscher für industrielle Energieeinsparungen und von Katalysatorbeschichtungen für die Kohlenstoffabscheidung

„Die potenziellen Anwendungen für LACS sind grenzenlos und wir sind motiviert, eine Technologie zu liefern, die den Übergang zu einer abfallfreien Produktion erheblich unterstützen kann, sowohl durch eine effizientere, abfallarme Produktionstechnologie als auch durch die Türen, die sie für die nachhaltige Produktentwicklung öffnet“, sagte O’Neill.

Zukünftige Forschungsrichtungen

Das nächste Ziel des Labors ist es, die LACS-Technologie so zu verfeinern, dass sie eine Form in 3D drucken kann. Die Forscher untersuchen mehrere Möglichkeiten, um dies zu erreichen, einschließlich der Montage des Teils auf einem beweglichen Arm, damit es in drei Dimensionen bewegt werden kann – sowie zur Verbesserung der Kontrolle über die Richtung des Pulverstroms, um saubere, glatte Kanten zu erzeugen. „Derzeit haben wir nur wenig Kontrolle über die Form des Pulverauftrags“, so O’Neill. „Bei Beschichtungen ist das kein Problem, aber bei der Herstellung von Bauteilen stellt es eine erhebliche Einschränkung dar. Unser nächstes Ziel ist es, eine Lösung für diese Einschränkung zu finden, und wir haben bereits einige sehr vielversprechende Ergebnisse.“ Um mehr über die Forschung zu erfahren, klicken Sie HIER.

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*Bildverweise: University of Cambridge