3D-Druck für Weltraummissionen
Pulverbasierte additive Fertigung auf Parabelflügen getestet.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) beteiligte sich mit zwei Experimenten an der 40. Parabelflugkampagne des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), die vom 15. bis zum 25. Mai 2023 in Bordeaux, Frankreich, stattfand. Ziel war es, die pulverbasierte additive Fertigung im Weltraum zu optimieren und damit einen Beitrag zu nachhaltigeren Weltraummissionen zu leisten.
Bei pulverbasierten 3D-Druckverfahren wird ein Bauteil durch das Aufbringen von Schichten eines fließfähigen Pulvers aufgebaut. Die einzelnen Schichten werden dann mittels Laserstrahl verschmolzen und anschließend aus dem Pulverbett herausgetrennt. In früheren Kampagnen wurde die industriell bereits erfolgreiche Fertigungsmethode des selektiven Laserschmelzens, das Laser-based Powder Bed Fusion (LPBF), in Schwerelosigkeit erprobt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass ein Gasstrom durch das Pulver die für den Schichtauftrag notwendige Gravitation ersetzen kann. Erste metallische Bauteile wurden in der Schwerelosigkeit erfolgreich gefertigt.
„Die additive Fertigung wird zunehmend auch für die Luft- und Raumfahrtbranche wichtig“, erklärt Jens Günster, Projektleiter und Leiter des Fachbereiches Multimateriale Fertigungsprozesse an der BAM. „Durch die Optimierung von pulverbasierten 3D-Druckverfahren, wie sie die BAM bei der Parabelflugkampagne erprobt, können Bauteile in Zukunft vor Ort hergestellt und so Weltraummissionen effizienter und nachhaltiger werden."
Im aktuellen Experiment lag der Fokus auf der Optimierung des Pulverauftrags sowie der Qualitätskontrolle und Visualisierung der aufgetragenen Schichten. Dazu wurde die im letzten Experiment erprobte und weiterentwickelte Depositionseinheit genutzt, in der das Pulver nicht aus einem einzelnen großen Behälter appliziert wird, sondern mittels einzelner Zellen, die in einer Wabenstruktur verbunden sind. Das Design reduziert das Verklumpen einzelner Pulverpartikel und unterstützt einen homogenen Schichtauftrag. Zusätzlich setzte das Team einen Linienscanner ein, um die einzeln aufgetragenen Pulverschichten während des Druckprozesses zu vermessen. So konnte erstmals die Oberflächenqualität während der Herstellung ermittelt werden.
Ein weiterer Schwerpunkt des Experiments lag auf der Untersuchung von Mondregolith-Simulant als Fertigungsmaterial für Ersatzteile. Die Nutzung von vorhandenen Materialien vor Ort, wie pulverisiertem Mondgestein, kann Raumfahrtmissionen noch flexibler gestalten. Anknüpfend an vorangegangene Versuche wurde das Schmelzverhalten von Mondstaub im additiven Fertigungsprozess weiter untersucht. Insbesondere die Ausbildung eines Schmelzbades im Pulverbett für unterschiedliche Größen des Laserstrahls in Schwerelosigkeit sowie in normaler Erdgravitation und Hypergravity standen dabei im Fokus.
Ein zweites Experiment, das von der xolo GmbH Berlin geleitet wird und an dem die BAM beteiligt ist, testete ein neues additives Fertigungsverfahren für Polymerwerkstoffe, das für Anwendungen in der regenerativen Medizin eingesetzt werden soll. Das BAM-Team will das Verfahren von xolo in Zusammenarbeit mit der Montanuniversität Leoben (Johanna Sänger und Raúl Bermejo) mit neuen Werkstoffen kombinieren und für Weltraummissionen optimieren.
BAM / DE
