Verfahren zur additiven Fertigung unterscheiden sich von subtraktiven Verfahren wie Fräsen, Bohren und Erodieren dadurch, dass Material zu einem Bauteil zusammengeführt und nicht abgetragen wird. Eine Klasse der frühen Verfahren zur additiven Fertigung bilden die pulverbasierten Verfahren.
Bei pulverbasierten 3D-Druckverfahren wird ein Bauteil mittels Aufbringen von Schichten eines fließfähigen Pulvers aufgebaut. Dazu wird das virtuelle 3D-Modell des herzustellenden Bauteils am Computer in Schichten geschnitten. Nach Aufbringen einer Schicht pulverförmigen Materials wird anschließend die Geometrie aus dem virtuellen 3D-Modell selektiv in die einzelne Schicht übertragen. Dies geschieht beispielsweise durch Verkleben oder lokale Verdichtung des Pulvers. Diese Abläufe wiederholen sich solange Schicht für Schicht, bis das Objekt fertiggestellt ist. Zum Schluss ist das Bauteil vollständig von einem Pulverbett umschlossen, aus dem es leicht entnehmbar ist und dann gereinigt werden kann.
Basierend auf diesem Konzept ist es denkbar mittels eines 3D Druckers in einer Raumstation Bauteile, Komponenten, Ersatzteile oder Werkzeuge je nach Bedarf zu fertigen. Es müsste dann nur das Material, also das Pulver, zur Raumstation transportiert werden und nicht ein ganzes Sortiment an Teilen.
In vorangegangenen zero-g Kampagnen wurde die industriell sehr erfolgreiche Fertigungsmethode Powder Bed Fusion (PBF) bzw. Selective Laser Melting (SLM) in Schwerelosigkeit erprobt. Der Fokus lag hierbei auf dem Schichtauftrag des Pulvers. Da die Schwerkraft eine entscheidende Voraussetzung für das Auftragen einer dünnen Schicht fließfähigen Pulvers ist, besteht die Herausforderung darin, den Schichtauftrag des Pulvers unabhängig von der Schwerkraft auszuführen. Es konnte nachgewiesen werden, dass ein Gasstrom durch das Pulver die Gravitation ersetzen kann und erste metallische Bauteile wurden unter Bedingungen der Schwerelosigkeit gefertigt. In dem aktuellen Experiment wird der Schichtauftrag keramischer und metallischer Pulver mittels einer Suspension untersucht. Es ist bekannt, dass durch das Aufbringen und Trocknen dünner Schichten einer Partikelsuspension ein dicht gepacktes Pulverbett erzeugt werden kann. Die enthaltene Flüssigkeit wird durch Kapillarwirkung in die Poren des Pulverbetts gesaugt und die erzeugte Strömung erhöht die Packungsdichte der Partikel. Während der letzten Kampagne wurden bereits Vorversuche mit Suspensionen durchgeführt. Die dabei gewonnen Ergebnisse führten zu einer verbesserten Depositionseinheit, welche in dieser Kampagne unter Mikrogravitation getestet wird. Die Verwendung von Suspensionen anstelle von trockenem Pulver hat auch den Vorteil, dass bei der Verarbeitung des Pulvers kein Partikelstaub entsteht und die Oberflächenspannung der wasserbasierten Suspension zudem die Handhabung des Pulvers unter Schwerelosigkeit erleichtert.
Diese Experimente dienen zur Vorbereitung weiterführender Experimente unter Schwerelosigkeit im Weltraum.
Ziel des zero-g Experiments ist der Nachweis, dass
• pulverbasierte additive Fertigung und • die Fertigung gebrauchsfertiger metallischer Bauteile mittels Selektiven Laserschmelzens (SLM)
auch auf einer Raumstation im Weltraum ohne Schwerelosigkeit möglich sind.