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.
Die für die Herstellung der Geometrien in den einzelnen Schichten verwendete Technik hängt von dem jeweils betrachteten Prozess ab. Zu den beiden bekanntesten und weltweit industriell verbreitetsten gehören: Der 3D-Druck (3DP, englisch three-dimensional printing) und Selektives Lasersintern (SLS, englisch selective laser sintering). Bei den pulverbasierten generativen Fertigungsverfahren werden die Pulver gebunden oder geschmolzen, sodass mehr oder weniger dichte Bauteile entstehen, die oftmals gebrauchsfertig sind. Basierend auf diesem Konzept ist es denkbar mittels eines 3D Druckers in einer Raumstation Bauteile, Komponenten, Ersatzteilen oder Werkzeugen je nach Bedarf zu fertigen. Es müsste dann nur das Pulver zur Raumstation transportiert werden und nicht ein ganzes Sortiment an Teilen.
Vorteile dieses Ansatzes wurden bereits von der NASA hervorgehoben: • Die Herstellung bestimmter Geometrien im Weltraum bietet ein enormes Potential für Gewichtseinsparungen, da nicht alle im Weltraum benötigten Geometrien die rauen Bedingungen, wie beispielsweise die hohen mechanischen Belastungen während des Starts, überstehen. • Es müssen nicht eine Vielzahl von Werkzeugen und Teilen mitgeführt werden, sondern nur die richtige Menge Material um Werkzeug und Teile auf Abruf zu drucken. • Im Falle eines Ausfalls eines Teils oder im Falle eines unvorhersehbaren Ereignisses könnten komplexe Teile als Ersatzteil zur vorübergehenden Reparatur in einer Raumfahrtmission ausgedruckt werden. • 3D-Drucken bietet einen schnellen und kostengünstigen Weg, um Teile vor Ort und auf Abruf herzustellen, ein großer Vorteil bei langen Missionen mit begrenztem Gewicht und Stauraum.
Im Gegensatz zu dem von der NASA auf der ISS eingesetzten filamentbasierten additiven Fertigungsverfahren, bei dem ein Filament aus aufgeheiztem Kunststoff, Metall oder anderem Material Schicht für Schicht extrudiert wird, um ein dreidimensionales Objekt herzustellen, werden in diesem Experiment die industriell sehr erfolgreichen pulverbasierten Fertigungsverfahren auf ihre Eignung für einen Einsatz in Schwerelosigkeit untersucht. In dem Experiment zur Demonstration der Technologie liegt der Fokus auf dem Schichtauftrag des Pulvers, da dies der kritische Prozessschritt unter Schwerelosigkeit ist. Die anderen Prozessschritte sind mehr oder weniger unabhängig von Gravitationskräften. 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. Dies soll mit einem gasstromunterstützten Schichtauftrag erfolgen und die Machbarkeit der pulverbasierten additiven Fertigung unter Schwerelosigkeit überprüft werden. Damit soll das große Potential der pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren für künftige Weltraummissionen zugänglich gemacht werden.
Ziel des zero-g Experiments ist der Nachweis, dass • pulverbasierte additive Fertigung und • Selektives Laser Sintern auch auf einer Raumstation im Weltraum ohne Schwerelosigkeit möglich wären.