Die fünf Komponenten des Schlüsselinstruments werden durch Elektronenstrahlschmelzen hergestellt, wodurch hohle Kastenstrahlen und dünne Wände übertragen werden können.Doch der 3D-Druck ist nur der erste Schritt.
Das in der Darstellung des Künstlers verwendete Instrument ist PIXL, ein petrochemisches Röntgengerät, das Gesteinsproben auf dem Mars analysieren kann.Quelle dieses Bildes und oben: NASA / JPL-Caltech
Als der Rover „Perseverance“ am 18. Februar auf dem Mars landete, wird er fast zehn 3D-gedruckte Metallteile mit sich führen.Fünf dieser Teile werden in der Ausrüstung zu finden sein, die für die Rover-Mission von entscheidender Bedeutung ist: das X-ray Petrochemical Planetary Instrument oder PIXL.PIXL, installiert am Ende des Auslegers des Rovers, wird Gesteins- und Bodenproben auf der Oberfläche des Roten Planeten analysieren, um dabei zu helfen, das dortige Lebenspotenzial einzuschätzen.
Zu den 3D-gedruckten Teilen von PIXL gehören die vordere und hintere Abdeckung, der Montagerahmen, der Röntgentisch und die Tischhalterung.Auf den ersten Blick sehen sie aus wie relativ einfache Teile, teils dünnwandige Gehäuseteile und Halterungen, möglicherweise bestehen sie aus umgeformtem Blech.Es stellt sich jedoch heraus, dass die strengen Anforderungen dieses Instruments (und des Rovers im Allgemeinen) mit der Anzahl der Nachbearbeitungsschritte in der additiven Fertigung (AM) übereinstimmen.
Als die Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA PIXL entwickelten, ging es ihnen nicht darum, Teile herzustellen, die für den 3D-Druck geeignet sind.Stattdessen halten sie sich an ein striktes „Budget“, konzentrieren sich jedoch voll und ganz auf die Funktionalität und entwickeln Tools, die diese Aufgabe erfüllen können.Das zugewiesene Gewicht von PIXL beträgt nur 16 Pfund;Eine Überschreitung dieses Budgets führt dazu, dass das Gerät oder andere Experimente vom Rover „springen“.
Obwohl die Teile einfach aussehen, sollte diese Gewichtsbeschränkung bei der Konstruktion berücksichtigt werden.Die Röntgenwerkbank, der Stützrahmen und der Montagerahmen verfügen alle über eine hohle Kastenträgerstruktur, um zusätzliches Gewicht oder zusätzliche Materialien zu vermeiden. Die Wand der Gehäuseabdeckung ist dünn und der Umriss umschließt das Instrument besser.
Die fünf 3D-gedruckten Teile von PIXL sehen aus wie einfache Halterungs- und Gehäusekomponenten, aber strenge Chargenbudgets erfordern, dass diese Teile sehr dünne Wände und hohle Kastenträgerstrukturen haben, wodurch der herkömmliche Herstellungsprozess, der zu ihrer Herstellung verwendet wird, entfällt.Bildquelle: Carpenter Additives
Um leichte und langlebige Gehäusekomponenten herzustellen, wandte sich die NASA an Carpenter Additive, einen Anbieter von Metallpulver- und 3D-Druck-Produktionsdienstleistungen.Da bei diesen Leichtbauteilen kaum Spielraum für Änderungen oder Modifikationen im Design besteht, hat sich Carpenter Additive für das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) als beste Fertigungsmethode entschieden.Mit diesem Metall-3D-Druckverfahren können hohle Kastenträger, dünne Wände und andere für das Design der NASA erforderliche Merkmale hergestellt werden.Allerdings ist der 3D-Druck nur der erste Schritt im Produktionsprozess.
Beim Elektronenstrahlschmelzen handelt es sich um einen Pulverschmelzprozess, der Elektronenstrahlen als Energiequelle nutzt, um Metallpulver selektiv miteinander zu verschmelzen.Die gesamte Maschine wird vorgeheizt, der Druckprozess wird bei diesen erhöhten Temperaturen durchgeführt, die Teile werden beim Drucken im Wesentlichen wärmebehandelt und das umgebende Pulver wird halbgesintert.
Im Vergleich zu ähnlichen Verfahren des direkten Metall-Laser-Sinterns (DMLS) kann EBM rauere Oberflächen und dickere Merkmale erzeugen, seine Vorteile liegen aber auch darin, dass es den Bedarf an Stützstrukturen reduziert und den Bedarf an laserbasierten Prozessen vermeidet.Thermische Spannungen können problematisch sein.PIXL-Teile stammen aus dem EBM-Prozess, sind etwas größer, haben raue Oberflächen und fangen Pulverkuchen in der Hohlgeometrie ein.
Durch Elektronenstrahlschmelzen (EBM) können komplexe Formen von PIXL-Teilen erzeugt werden. Um diese fertigzustellen, müssen jedoch eine Reihe von Nachbearbeitungsschritten durchgeführt werden.Bildquelle: Carpenter Additives
Wie oben erwähnt, müssen eine Reihe von Nachbearbeitungsschritten durchgeführt werden, um die endgültige Größe, Oberflächenbeschaffenheit und das endgültige Gewicht der PIXL-Komponenten zu erreichen.Zur Entfernung von Pulverrückständen und zur Glättung der Oberfläche kommen sowohl mechanische als auch chemische Verfahren zum Einsatz.Die Prüfung zwischen den einzelnen Prozessschritten sichert die Qualität des gesamten Prozesses.Die endgültige Zusammensetzung liegt nur 22 Gramm über dem Gesamtbudget, was immer noch im zulässigen Bereich liegt.
Ausführlichere Informationen zur Herstellung dieser Teile (einschließlich der beim 3D-Druck beteiligten Skalierungsfaktoren, des Designs temporärer und permanenter Stützstrukturen und Details zur Pulverentfernung) finden Sie in dieser Fallstudie und in der neuesten Folge von The Cool Parts Show Um zu verstehen, warum dies für den 3D-Druck eine ungewöhnliche Produktionsgeschichte ist.
Bei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) erfolgt der Materialabtrag eher durch Quetschen als durch Scheren.Dies unterscheidet es von anderen Verarbeitungsanwendungen.
Durch die Verwendung einer speziellen Fräsergeometrie und das Hinzufügen einer harten Beschichtung zu einer glatten Oberfläche hat Toolmex Corp. einen Schaftfräser geschaffen, der sich sehr gut für das aktive Schneiden von Aluminium eignet.Das Tool heißt „Mako“ und ist Teil der SharC-Profi-Tool-Serie des Unternehmens.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 27. Februar 2021