Additive Fertigung 3D-Druck im Space - Teil 1: Werkzeug selber drucken

Forschen in der Schwerelosigkeit: Das Team von Prof. Dr. Jens Günster, Leiter des Fachbereiches Keramische Prozesstechnik und Biowerkstoffe und zugleich Professor für Hochleistungskeramik an der TU Clausthal führt Experimente zur additiven Fertigung unter Microgravity-Bedingungen durch. Neben Prof. Günster sind aus dem Fachbereich Dr. Andrea Zocca sowie die Doktoranden Jörg Lüchtenborg und Pedro Lima beteiligt. Ergänzt wird das Team um Thomas Mühler, Doktorand an der TU Clausthal und Marc Sparenberg, Doktorand am DLR. Nach dem im letzten Jahr genehmigten Promotionsprogramm "Selbstorganisierte multifunktionale Strukturen für den adaptiven Hochleistungsleichtbau" ist dies ein weiterer Meilenstein der erfolgreichen Zusammenarbeit zwischen der BAM, dem DLR und der TU Clausthal.

3D Druck ist noch nie in der Schwerelosigkeit erforscht worden – BAM, DLR und TU Clausthal sind da Pioniere.

Herr Prof. Dr. Günster: Worum geht bei dem Experiment in der Schwerelosigkeit?

„Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit” lautet das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Schichten eines fließfähigen Pulvers mittels 3-D Druck hergestellt wird. Die Fertigung erfolgt auf Basis von Datenmodellen; dabei wird in diesem Fall Pulver mittels Binder Jetting, also dem Einspritzen eines flüssigen Binders geformt – vergleichbar mit dem bekannten 3D-Druck-Verfahren. Neu ist allerdings, dass das Prozessgas (hier Luft) durch die Pulverschichten gesaugt wird (gasflussunterstützte Pulverdeposition) und somit eine Stabilisierung des Pulverbetts auch ohne Gravitation erfolgen kann.

Die hier zum Einsatz kommenden Verfahren wurden zum Teil bereits international patentiert: Sie gehen auf zwei Patentfamilien zurück, die innerhalb Deutschlands gemeinschaftlich von der BAM und der TU Clausthal und außerhalb Deutschlands von der BAM alleinig anmeldet wurden.

BAM und TU Clausthal bringen ihre langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Prozessen zur additiven Fertigung ein, also letztlich Prozesstechnologie. DLR ist als dritter Partner der Wegweiser in Richtung Raumfahrt.

Was wollen Sie mit dem Projekt erreichen?

Luft- und Raumfahrt ist ein wichtiger Forschungszweig in Deutschland. Mit der ISS (Internationale Raumstation) und ähnlich gelagerten Projekten werden Möglichkeiten zu längeren Aufenthalten von Menschen im Weltraum trainiert. Für lange Missionen zum Mond und zum Mars ist eine sichere Versorgung mit Ersatzteilen, Werkzeugen und Komponenten für Experimente und nicht zuletzt das Leben an Bord einer Raumfähre nötig.

BAM, DLR und TU Clausthal leisten mit diesem Forschungsprojekt einen wichtigen Beitrag zum Ausbau und zur Weiterentwicklung von Strategien, die auf der individuellen Fertigung von entsprechenden Komponenten während einer Raumfahrtmission mittels additiven Fertigung beruhen. Mittels 3D Druck können Astronauten Werkzeuge selbst im Space herstellen, das spart Platz und bietet maximale Flexibilität. 3D Druck ist noch nie in der Schwerelosigkeit erforscht worden – BAM, DLR und TU Clausthal sind da Pioniere. Jedoch ist das eingesetzte Verfahren der gasflussunterstützten Pulverdeposition auch für industrielle Anwendung auf der Erde von großem Interesse. Eine höhere Packungsdichte der Pulverpartikel, ein verbesserter Schichtauftrag für feinere, nicht fließfähige Pulver sind zwei wesentliche Vorteile gegenüber den konventionellen Schichtauftragsverfahren.

Wie bereiten Sie sich auf das Messen in Schwerelosigkeit vor: Welche technischen Geräte gehen mit an Bord? Und wie verhindern Sie, dass das Pulver in der Schwerelosigkeit umherfliegt?

Für das Experiment wurde eine Anlage gebaut, die einerseits die gasflussunterstützte Pulverdeposition als Prozess abbilden kann, andererseits auch den extremen Sicherheitsanforderungen im Flugzeug und während des Parabelflugs gerecht wird. So ist z.B. eine sehr hohe mechanische Stabilität, die dem neunfachen der Erdbeschleunigung standhält, gefordert. Es darf auch in keinem Falle Pulver aus der Anlage austreten, so dass der Schichtauftragprozess in einer hermetisch dichten doppelten Einhausung stattfinden muss. Das Abheben des Pulvers und der defektfreie Schichtauftrag werden durch eine Gasströmung durch das Pulver, hin zur Bauplattform sichergestellt.

Warum eigentlich gerade ein Parabelflug? Man könnte ja auch andere Möglichkeiten wie Fallturm oder Rakete zur Messung in Schwerlosigkeit nutzen...

Die NASA Hat die Kampagne "printed in Space" vor einigen Jahren lanciert. Hierbei wurden über ein etabliertes Verfahren zur additiven Fertigung Kunststoff als feines Filament extrudiert zu größeren Bauteilen zusammengefügt. Die Qualität der Bauteile ist nicht gut, trotzdem hat dieses auf der ISS durchgeführte Experiment für sehr viele Schlagzeilen gesorgt. Wir planen ähnliche Experimente und ein erster Schritt in diese Richtung ist der DLR Parabelflug, in dessen 30. Kampagne wir ca. 45 min Schwerelosigkeit in 120 Parabeln zur Verfügung haben. Keine andere Experimentierplattform kann das leisten.

Hintergrund

Parabelflüge werden für wissenschaftliche Experimente in Schwerelosigkeit (Mikrogravitation) und zum Testen von Raumfahrttechniken eingesetzt. Eine DLR-Parabelflugkampagne besteht in der Regel aus drei Flugtagen zu je vier Flugstunden, an denen jeweils 31 Parabeln geflogen werden. Dabei steigt das Flugzeug aus dem horizontalen Flug steil nach oben, drosselt die Schubkraft der Turbinen und fliegt dabei eine Parabel, bei der für etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit herrscht. Insgesamt stehen so bei einer Flugkampagne etwa 35 Minuten Schwerelosigkeit - im Wechsel mit normaler und doppelter Erdbeschleunigung - zur Verfügung, die Forscher für ihre Experimente nutzen können. Bis zu 40 Wissenschaftler können an einem Flug teilnehmen, bei dem sich im Normalfall 12 bis 13 Experimente an Bord befinden.