Die Luft- und Raumfahrtindustrie sucht kontinuierlich nach Wegen, die Leistungsfähigkeit von Satelliten, Messinstrumenten und optischen Systemen zu steigern, indem die spezifischen Eigenschaften von Keramik genutzt werden – bei gleichzeitig hohem Anspruch an das Verhältnis von Leistung zu Kosten. Genau in diesem Spannungsfeld bewegen sich Erdbeobachtungsinstrumente: Spektrometer, Teleskopstrukturen und Spiegelhalterungen benötigen Werkstoffe mit hoher Steifigkeit, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und geringer Masse, kombiniert mit einer Fertigungsmethode, die komplexe, funktional integrierte Geometrien erlaubt.

Zu den Referenzkunden von 3DCeram zählen namhafte Unternehmen aus Luft- und Raumfahrt sowie Optik, darunter Safran, Thales und Zeiss – ein Hinweis darauf, dass SLA-gedruckte technische Keramik bereits in industriellen Anwendungen dieser Branchen eingesetzt wird. Für Siliziumnitrid im Speziellen bedeutet das: Die Kombination aus dem Materialeigenschaften mit der geometrischen Freiheit des SLA-Verfahrens eröffnet Potenzial für topologieoptimierte Halterungen, Spiegelträger oder Blendenstrukturen, die als integrierte Baugruppe statt als Vielzahl gefügter Einzelteile gefertigt werden können.

Warum Siliziumnitrid?

Siliziumnitrid ist in der Raumfahrt kein neues Material. Unternehmen wie Thales Alenia Spaceverwenden es bereits seit mehr als zehn Jahren für Strukturbauteile in optischen Instrumenten, zum Beispiel für Rohre, Halterungen und Stützstrukturen.

Der Werkstoff eignet sich besonders gut, weil er zwei wichtige Eigenschaften vereint: Er ist sehr fest und steif, dehnt sich bei Temperaturschwankungen aber nur sehr wenig aus. Das ist für Teleskope und Spektrometer entscheidend. Ihre Strukturen müssen den hohen Belastungen beim Raketenstart standhalten und gleichzeitig im Orbit ihre genaue Ausrichtung trotz wechselnder Temperaturen beibehalten.

Diese Vorteile wurden bereits in vielen Raumfahrtanwendungen nachgewiesen. Siliziumnitrid-Bauteile wurden umfangreich getestet, qualifiziert und befinden sich heute erfolgreich im Einsatz im Orbit.

Klassisch werden Siliziumnitrid-Bauteile durch Sintern, Spritzguss oder Schlickerguss hergestellt – Verfahren, die bei komplexen Geometrien schnell an ihre Grenzen stoßen. Additive Fertigung eröffnet hier neue Möglichkeiten, weil sich damit Strukturen realisieren lassen, die mit den herkömmlichen Methoden praktisch nicht herstellbar wären. Kombiniert mit Topologieoptimierung  was das Gewicht von Bauteilen drastisch reduzieren lässt, ohne die mechanische Integrität zu gefährden.

Warum SLA für technische Keramik?

Unter den additiven Fertigungsverfahren für Keramik nimmt die Stereolithografie (SLA) eine besondere Stellung ein. Im Gegensatz zum Pulverbettverfahren wird dabei ein lichtempfindlicher, keramisch gefüllter Schlicker (Slurry) mithilfe eines Lasers schichtweise ausgehärtet. Dadurch können Bauteile mit komplexen Geometrien, hoher Maßgenauigkeit und individuellem Design hergestellt werden. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Optik und der Medizintechnik. Im Vergleich zu klassischen Verfahren wie Pressen, Spritzguss, Gießen oder Extrusion bietet die SLA deutlich mehr Gestaltungsfreiheit, da diese Verfahren bei komplexen Geometrien an ihre Grenzen stoßen.

Ein weiteres Verfahren : Fused Filament Fabrication (FFF)

Die Bauteile werden im Extrusionsverfahren aus einem Filament gedruckt. Der 3D-Desktop-Drucker M.A.T von 3D Ceram ermöglicht die Herstellung solcher Strukturen mittels Extrusion. Nach dem Druck des Grünkörpers wird die Polymermatrix thermisch zersetzt (Entbinderung), das verbleibende keramische Pulver anschließend gesintert. Da Entbinderung und Sinterung hier vergleichsweise langsam ablaufen, sind interne Spannungen ein geringeres Problem als etwa bei lasergestützten Verfahren. Ein Nachteil wäre: Unvollständige Haftung zwischen einzelnen Druckschichten kann jedoch die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit, deutlich verschlechtern.

Herausforderungen auf dem Weg zur Flugreife TRL 9

Additiv gefertigtes Siliziumnitrid bietet großes Potenzial. Bis es jedoch regelmäßig in Erdbeobachtungsinstrumenten eingesetzt wird, sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Eine  zuverlässige und vollständig nachvollziehbare Prozesskette ist erforderlich. Diese reicht vom Entwurf über die Fertigung und Nachbearbeitung bis hin zur Montage, Prüfung und Endabnahme.

Bei Siliziumnitrid kommt eine weitere Besonderheit hinzu: Der 3D-Druck erzeugt zunächst nur einen sogenannten Grünkörper. Erst durch das anschließende Sintern erhält das Bauteil seine endgültigen Eigenschaften. Während dieses Prozesses können sich Größe und Form verändern, weshalb Schwindung, Verzug und Materialdichte genau kontrolliert werden müssen. Das ist bei komplexen, additiv gefertigten Bauteilen deutlich anspruchsvoller als bei konventionell hergestellten Geometrien.

Außerdem müssen die Materialeigenschaften umfassend untersucht werden. Dazu gehören unter anderem die Festigkeit bei wiederholter Belastung, das Verhalten bei Vibrationstests sowie die Langzeitstabilität im Vakuum. Erst wenn diese Eigenschaften für das jeweilige Fertigungsverfahren nachgewiesen und qualifiziert wurden, kann ein Bauteil als flugerprobt gelten.

Ausblick

Die Kombination aus additiver Fertigung und Siliziumnitrid zeigt einen wichtigen Entwicklungstrend in der Raumfahrt: Statt viele einzelne Bauteile herzustellen und zusammenzubauen, werden zunehmend leichte, funktionsintegrierte und optimierte Strukturen aus Hochleistungswerkstoffen gefertigt.

Gerade für Erdbeobachtungsinstrumente bietet dieser Ansatz großes Potenzial. Jedes eingesparte Gramm reduziert das Gewicht der Nutzlast, und eine höhere thermische Stabilität verbessert die Leistung der Instrumente. Gelingt es, additiv gefertigtes Siliziumnitrid mit derselben Qualität und Zuverlässigkeit wie konventionell hergestelltes Material zu qualifizieren, könnten zukünftige Instrumente – von Spurengas-Spektrometern bis hin zu Kameras – von leichteren, steiferen und komplexeren Strukturen profitieren. Gleichzeitig ließe sich die hohe optische Präzision erhalten.

Wollt ihr mehr über Siliziumnitrid aus additiver Fertigung erfahren? Dann kontaktiert uns gerne hier.

Wejdane Ezzine
Sales Engineer 3DCeram
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