05.06.2023

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.

 

Abb.: Vorbereitungen der Experimente zur additiven Fertigung, die auf der...
Abb.: Vorbereitungen der Experimente zur additiven Fertigung, die auf der Parabel­flug-Kampagne des DLR durch­geführt wurden. (Bild: BAM)

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

 

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