3D-Druck unter Schwerelosigkeit

Wie verhält sich der 3D-Druck unter Schwerelosigkeit? RS Components unterstützt das Studententeam AIMIS-FYT der Hochschule für angewandte Wissenschaften München, das  mit der europäischen Raumfahrtagentur esa dazu Grundlagenforschung betreiben darf. Hintergrund ist, dass beispielsweise Satellitenstrukturen direkt im Weltraum gefertigt werden könnten. Der Vorteil: Viele Ausrüstungsgegenstände oder Ersatzteile müssten dann nicht extra per teuren Weltraumtransport zum Einsatzort transportiert werden.

RS Components (RS), Handelsmarke der Electrocomponents plc (LSE:ECM), eines globalen Omni-Channel Lösungspartners für Industriekunden und Lieferanten, unterstützte das studentische Team AIMIS-FYT der Hochschule für angewandte Wissenschaften München. Die europäische Raumfahrtagentur (esa) hatte das Team ausgewählt, um Experimente zur additiven Fertigung im Weltall bei Mikrogravitation (gemeinhin als Schwerelosigkeit bezeichnet) durchzuführen. Der Einsatz von 3D-Druckverfahren könnte in Zukunft die Raumfahrt revolutionieren, da viele Ausrüstungsgegenstände dann nicht mehr per Flug zum Einsatz transportiert werden müssten, sondern vor Ort gefertigt werden könnten. Vor Kurzem fanden vielversprechende Experimente der Technologie-Pioniere statt.

Ziel ist die Entwicklung eines 3D-Druckprozesses, mit dem Satellitenstrukturen direkt im Weltraum erstellt werden können, was die Startkosten von Satelliten senkt. Heute werden alle Raumschiffe auf der Erde entwickelt, getestet und montiert und per Trägerrakete zu ihren jeweiligen Einsatzorten transportiert. Jede Komponente muss so ausgelegt sein, dass sie den hohen Belastungen der Startphase standhält, die in den meisten Fällen zu einer übergroßen Struktur führen. Diese Komponenten verursachen hohe Raumtransportkosten aufgrund einer hohen Systemmasse und eines hohen Systemvolumens sowie der komplexen Testverfahren, die für den Transport mit der Trägerrakete erforderlich sind.

Ein möglicher Ansatz zur Vermeidung dieser Kosten und Anstrengungen ist die Herstellung von Raumfahrzeugkomponenten direkt in der Umlaufbahn unter Verwendung generativer Herstellungsverfahren. Diese Technologie, die als In-Situ-Fertigung bekannt ist, ermöglicht die Erstellung von Komponenten, die eher auf die Missionsanforderungen als auf die Startanforderungen zugeschnitten sind. Neben der Senkung der Startkosten spart die reduzierte Masse des Raumfahrzeugs Ressourcen und kann die Lebensdauer der Mission verlängern.

Das AIMIS-FYT-Team konstruierte einen 3D-Drucker mit einem Extruder, durch den ein flüssiges Photopolymer abgegeben werden kann. Anstatt wie bei herkömmlichen 3D-Druckern Komponenten Schicht für Schicht zu erstellen, werden die Komponenten direkt über die dreidimensionale Bewegung des Druckkopfs erstellt und durch Anwendung von UV-Licht innerhalb kurzer Zeit ausgehärtet. So kommen die Einflüsse praktisch nicht vorhandener Erdanziehungskräfte nicht zum Tragen.

Mit der erfolgreichen Auswahl für das Fly Your Thesis!-Progamm der esa hatte das Team die Möglichkeit, Experimente durchzuführen und diesen Druckprozess unter Schwerelosigkeitsbedingungen zu validieren. Zu diesem Zweck wurden vier grundlegende 3D-Druckvorgänge aus dem allgemeinen Prozess abgeleitet. Diese Operationen bildeten die Grundlage der Experimente, die während der Kampagne untersucht wurden. Um einen stabilen Druckprozess zu gewährleisten, muss der Extrusionsprozess detailliert analysiert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, sind sowohl der Einfluss der Druckparameter auf den Prozess als auch der Einfluss der Mikrogravitation von Bedeutung.

Im November und Dezember 2020 fanden daher so genannte „Parabelflüge“ statt. Dabei geht ein Flugzeug wiederholt in einen steilen Steigflug und kippt dann relativ abrupt in einen Sinkflug ab. Das Ergebnis ist eine Flugbahn, die von außen betrachtet, wie eine Linie steiler Wellen aussieht. Auf den Wellenbergen, also immer im Moment des Überganges vom Steigflug in den Sinkflug, kommt es dann zu einer Neutralisierung der Erdanziehungskräfte, also Mikrogravitation, ganz ähnlich derer im Weltraum. Dies sind die idealen Bedingungen, um das Druckverfahren zu testen. Die "Basis" für das Team war der Flughafen Paderborn. Von hier aus ging es dann immer wieder Richtung Frankreich, um über dem Atlantik die Parabelflüge durchzuführen.

Die Ergebnisse können sich sehen lassen. Das Hauptziel der Technologiedemonstration des 3D Druckverfahrens ist eindeutig erreicht worden. In der Schwerelosigkeit hat das Team erfolgreich verschiedene Arten von Stäben bzw. Druckverfahren getestet. Am Ende jeder Parabelsequenz lag ein ausgehärteter Stab vor, der Druck in der Schwerelosigkeit ist also gelungen. Dieser Prozess wurde im Video festgehalten:

„Dass sich auch kleinere Fachwerkstrukturen unter Schwerelosigkeit drucken ließen und dass diese anschließend sicher verstaut wurden, untermauert den Erfolg genau wie eine ausführlichere mechanische Analyse im Nachgang“, so Torben Schäfer, Team AIMIS-FYT.

Im Rahmen des Versuchsaufbaus stießen die Studierenden auf RS Components und fragten, ob der Distributor sie im Rahmen eines Sponsorings mit Bauteilen für das Projekt unterstützen könnte. Dem kam das Unternehmen gern nach. Es handelte sich um eine bunte Zusammenstellung von Signalsäulen über Umschalter, Nutensteine bis zu Steckverbindern. „Wir sind sehr dankbar dafür, dass RS Components uns in schwierigen Zeiten schnell und unkompliziert unterstützt hat. Ohne solche Partner lassen sich anspruchsvolle Projekte nicht umsetzen“, resümiert Michael Kringer vom Studierendenteam.