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Aug 25, 2023

Pitt ist die einzige Universität in den USA mit diesem riesigen 3D-Drucker für Metall

Versteckt im Untergeschoss von Pitts Benedum Hall, hinter den Rennwagenteilen, die in die Flure ragen, finden Sie eine riesige Maschine, die wie eine Mischung aus einer Autogarage und der Eingangstür eines Autos aussieht

Versteckt im Untergeschoss von Pitts Benedum Hall, hinter den Rennwagenteilen, die in die Flure ragen, finden Sie eine riesige Maschine, die wie eine Mischung aus einer Autowerkstatt und der Einstiegsöffnung eines Science-Fiction-Raumschiffs aussieht. Es handelt sich um einen hochmodernen 3D-Drucker für Metall – der erste Gefertec arc605 an einer Universität in den USA

Für die Herstellung großer, spezieller Metallteile sei die Maschine unschlagbar, sagte Albert To, William Kepler Whiteford Professor an der Swanson School of Engineering und Experte für 3D-Druck.

„Selbst bei einer Größenordnung von mehreren zehn Teilen ist das sehr vorteilhaft“, sagte er. „Und wenn man etwas Komplexität einbauen möchte, dann geht das nicht anders als mit dem 3D-Druck.“

Der Drucker nutzt das Schweißen, indem er Drähte aus Metallen wie Edelstahl, Titan und Aluminiumlegierungen schmilzt und Schicht für Schicht aufträgt. Frühere Metall-3D-Drucker im Labor, die Laser und Metallpulver verwenden, konnten einige hundert Gramm pro Stunde auftragen; Dieses hier ist eine Größenordnung schneller.

[Gehen Sie hinter die Kulissen der Maschinenwerkstatt der Dietrich-Schule]

Dadurch eignet sich der Gefertec-Drucker ideal für die Herstellung größerer Teile, die normalerweise gegossen und bearbeitet werden müssten, ein teurer Ansatz, der bei der Herstellung von Kleinserien und Spezialteilen oft nicht praktikabel ist. Eines von Tos ersten Projekten ist beispielsweise die Herstellung eines drei Fuß langen Brückengelenks für die US-Armee, das nicht mehr hergestellt wird.

Obwohl es die Technologie schon seit Jahrzehnten gibt, ist sie erst in den letzten Jahren zuverlässig genug geworden, um breite Beachtung zu finden. „Plötzlich gibt es ein sehr großes Interesse an der Industrie“, auch in der Luft- und Raumfahrt, der Kernenergie sowie der Öl- und Gasindustrie, sagte To.

Die fortschrittliche Software der Maschine und die „Fünf-Achsen“-Fähigkeiten, bei denen Teile während des Druckens gedreht und geneigt werden können, ermöglichen die Herstellung komplexer Metallteile. Aber es gibt noch viele Probleme, die gelöst werden müssen. Beispielsweise verformen sich Metalle beim Erhitzen und Abkühlen, ein Prozess, den To mit Mitteln der US-Armee und des Energieministeriums mithilfe des neuen Druckers untersucht.

Xavier Jimenez, ein Doktorand im dritten Jahr in Tos Labor, entwickelt ein Verfahren zum 3D-Druck mit einer neuen Art von hochfestem Aluminium, das potenzielle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt hat, beim Schweißen jedoch zum Reißen neigt.

„Man muss all diese verschiedenen Parameter abstimmen, um herauszufinden, was die beste Schweißqualität liefert“, sagte Jimenez. „Jedes Material verhält sich ein wenig anders.“

Jimenez kam unter anderem zu Pitt, weil er mit dem Gefertec arc605 arbeiten wollte, aber COVID-19 machte ihm einen Strich durch die Rechnung, und es dauerte drei Jahre, bis der Drucker zu Pitt gelangte. Die Maschine ist größer als manche Studiowohnungen und musste bei ihrer Ankunft Stück für Stück per Kran ins Labor gebracht und dann zusammengebaut werden.

Nachdem die Installation abgeschlossen ist, testet das Team nun Parameter für den 3D-Druck verschiedener Metalle. Indem sie den Ansatz für verschiedene Metalle testen, dann Röntgenstrahlen verwenden und Materialeigenschaften testen, können sie damit beginnen, zu modellieren, wie sich der Prozess auf ein Teil auswirkt – von sichtbaren Verformungen bis hin zu Veränderungen der mikroskopischen Struktur des Materials.

Darüber hinaus arbeitet To mit Kollegen zusammen, um intelligente Komponenten zu entwickeln, bei denen Glasfaserkabel in 3D-gedruckte Metallteile eingebettet werden, um die Temperatur und Verformung des Teils zu erfassen.

„Es war eine Menge Arbeit, alle Teile zusammenzubringen, damit die Maschine funktioniert“, sagte Jimenez. „Wir sind sehr froh, dass es hier ist.“

— Patrick Monahan, Fotografie von Aimee Obidzinski