Weltraumforschung 17.09.2021, 08:30 Uhr

Additive Fertigung in der Schwerelosigkeit

Wenn bei einer Weltraummission ein wichtiges Teil fehlt, sind zukunftsträchtige, kostenintensive Forschungsprojekte in Frage gestellt. Lassen sich mithilfe additiver Fertigung möglicherweise auch in der Schwerelosigkeit dringend benötigte Bauteile „vor Ort“ fertigen?

Ein großer Schritt für den 3D-Druck – Forscher*innen drucken den berühmten Fußabdruck Neil Armstrongs aus Mondstaub-Simulat bei einem Parabelflug. Foto: BAM

Ein großer Schritt für den 3D-Druck – Forscher*innen drucken den berühmten Fußabdruck Neil Armstrongs aus Mondstaub-Simulat bei einem Parabelflug.

Foto: BAM

Bei Raumfahrtmissionen zählt jedes Gramm und jeder Zentimeter – aber woher können die Beteiligten beim Start wissen, welches Equipment später im Weltall benötigt wird? Zusammen mit der TU Clausthal forscht die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) daran, mit additiver Fertigung in der Schwerelosigkeit Bauteile, Ersatzteile oder Werkzeuge fertigen zu können. Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, unter verschiedenen Gravitationsverhältnissen erstmals auch mit Material zu drucken, das vor Ort vorhanden wäre: simuliertem Mondstaub. Dabei haben sie auch ein berühmtes Objekt der Raumfahrtgeschichte reproduziert.

Zahlreiche additive Verfahren mit vielfältigen Möglichkeiten

Additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, bietet eine Vielfalt an Möglichkeiten. Bauteile lassen sich bspw. aus flüssigem, pulver- oder fadenförmigem Ausgangsmaterial herstellen. Pulverbettverfahren (Selective Laser Sintering) gehören dabei zu den meist verwendeten und bereits am weitesten entwickelten industriellen Verfahren. Als Pulver stehen grundsätzlich Metalle, Kunststoffe und Keramik, aber auch Verbundwerkstoffe zur Verfügung.

Insgesamt lässt sich durch additive Fertigung sehr flexibel und schnell – vor allem aber direkt am jeweiligen Ort – ein breites Spektrum von Bauteilen oder Werkzeugen „ready to use“ herstellen. Daher hat die Technologie auch in der Raumfahrt ein großes Potenzial – z.B. in Raumstationen in der Erdumlaufbahn oder bei künftigen Mond- oder Marsmissionen.

Neuartige Herausforderungen

Die Herausforderung besteht allerdings darin, die pulverbasierte additive Fertigung unabhängig von Gravitationskräften durchzuführen Ein Team der BAM und der TU Clausthal hat dazu bereits 2017 ein innovatives Verfahren entwickelt: Um das trockene Pulver verarbeiten zu können, wird ein kontinuierlicher Gasstrom durch das Pulverbett aufgebaut. Dieser erzeugt ein Strömungsfeld, das die Partikel des Pulvers – gravitationsunabhängig – zur Bauplattform hin anzieht. Um dieses Verfahren unter Realbedingungen erproben zu können, nimmt die BAM regelmäßig an Parabelflügen des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) teil, bei denen verschiedene Gravitationsverhältnisse nachgestellt werden.

„Wenn es gelingt, additive Fertigung unter verschiedenen Gravitationsbedingungen zu ermöglichen, müsste neben dem Drucker höchstens noch das Material, also z.B. Pulver, zur Raumstation transportiert werden – und nicht ein ganzes Sortiment an Werkzeugen und Ersatzteilen. Gerade bei künftigen Mars-Missionen könnte ja aufgrund der langen Wegstrecke nichts ‚hinterhergeschickt‘ werden: Ein benötigtes Teil vor Ort selbst drucken zu können, bedeutet also maximale Flexibilität“, erklärt Prof. Dr. Jens Günster, Experte für additive Fertigungsverfahren an der BAM und Lehrstuhlinhaber für Hochleistungskeramik an der TU Clausthal.

Parabelflug-Experimente sollen Gewissheit bringen

Bei den diesjährigen Parabelflug-Experimenten haben Günster und sein Team die entwickelten Geräte und Verfahren unter Gravitationsbedingungen, wie sie auf dem Mond und dem Mars herrschen, erprobt. Neben Versuchen mit metallischem Pulver wurde erstmals auch der 3D-Druck mit simuliertem Mondstaub (Mondregolith-Simulat) getestet. „Die Versuche haben gezeigt, dass das Verfahren nicht nur in völliger Schwerelosigkeit, sondern auch unter verschiedenen Gravitationsbedingungen und mit verschiedenen Ausgangsmaterialien grundlegend funktioniert“, erklärt Günster. „Wir konnten unter Mond- und Mars-Gravitationsbedingungen sowohl kleine Schraubenschlüssel aus metallischem Pulver als auch aus Mondregolith-Simulat ein Objekt drucken. Besonderheit ist, dass dieses dem berühmten Fußabdruck gleicht, den Neil Armstrong 1969 auf dem Mond hinterlassen hat.“

Das DLR-Forschungsprojekt

Im Rahmen des durch das DLR geförderten Projekts „Pulverbasierte additive Fertigung unter reduzierten Schwerkraftbedingungen“ soll das verwendete Equipment kontinuierlich verschiedenen Gravitationsbedingungen angepasst werden. Die Nutzung von Materialien vor Ort, die sogenannte „In-Situ Resource Utilization“ (ISRU), würde zusätzliche Flexibilität bei künftigen Raumfahrtmissionen möglich machen. In einem weiteren durch die ESA geförderten Projekt wird – in Kooperation mit der TU Clausthal – die großflächige Sinterung von Mondstaub-Simulat untersucht. Mehr Informationen zu den vorangegangenen Experimenten finden sich unter www.bam.de.

Sicherheit macht Märkte

Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) feiert in 2021 „150 Jahre BAM – Wissenschaft mit Wirkung.“ Die BAM ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Sie forscht, prüft und berät zum Schutz von Mensch, Umwelt und Sachgütern. Im Fokus aller Tätigkeiten – in der Materialwissenschaft, der Werkstofftechnik und der Chemie – steht dabei die technische Sicherheit von Produkten und Prozessen. Hierfür werden Substanzen, Werkstoffe, Bauteile, Komponenten und Anlagen sowie natürliche und technische Systeme von gesellschaftlicher Relevanz erforscht und auf sicheren Umgang oder Betrieb bewertet. Dazu gehört die Entwicklung und Validierung von Analyseverfahren und Bewertungsmethoden, Modellen und erforderlichen Standards. Somit erbringt die BAM wissenschaftsbasierte Dienstleistungen für die deutsche Wirtschaft im europäischen und internationalen Kontext.

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