Dieses Vorhaben zielt auf die Anwendung eines 3D-Druckverfahrens während des Fluges einer Forschungsrakete in 2020.
Additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, bietet vielfältige Möglichkeiten, Bauteile aus flüssigem, pulver- oder fadenförmigem Ausgangsmaterial, herzustellen. Dabei stehen grundsätzlich Materialien aus allen Klassen wie Metalle, Kunststoffe und Keramik, aber auch Verbundwerkstoffe, zur Verfügung. Technische Marktreife wird derzeit für immer mehr Ausgangsmaterialien erreicht. Die Vorteile dieser Gruppe von Fertigungsverfahren hängen stark vom eingesetzten Verfahren und der Anwendung ab. Insgesamt lassen sich durch additive Fertigung aus ein und demselben Ausgangsmaterial sehr flexibel und schnell, vor allem aber direkt am jeweiligen Ort, eine Vielzahl von Bauteilen oder Werkzeugen herstellen. Dadurch sind auch Anwendungen in der Raumfahrt – im Erdorbit oder darüber hinaus auf z.B. Mond- oder Mars-Basen bzw. während Flügen dorthin – in Zukunft von großem Interesse.
Derartige Fertigungsverfahren, selbst wenn sie auf der Erde gut erprobt und marktreif sind, für die Anwendung in reduzierter Schwerkraft zu adaptieren ist keineswegs trivial. Zum einen bestehen grundsätzlich andere Anforderungen an die Hardware entsprechender Fertigungsmaschinen, zum anderen sind es häufig anspruchsvollere Materialien, die in der Raumfahrt Anwendung finden. Gegenstand unseres Forschungsprojektes ist ein Verfahren namens SLS (Selective Laser Sintering), bei dem aus einzelnen Lagen metallischen Pulvers durch einen fokussierten Laserstrahl das gewünschte Bauteil geformt wird – Schicht für Schicht. Die Spanne der möglichen Materialien ist bei diesem Verfahren sehr breit, wenn auch Anpassungen der verschiedenen Maschinenparameter teilweise aufwendige Messreihen erfordern.
Eine der größten Herausforderungen dieses Verfahren für geringere Einwirkung von Schwerkraft, bis hin zu Schwerelosigkeit, vorzubereiten, ist die Handhabe des Metallpulvers und der gezielte Auftrag einer Pulverschicht von dichter Packung und gleichmäßiger Dicke, da diese Parameter Qualität und Materialkennwerte des fertigen Bauteiles dominieren. Ferner muss diese Schicht stabil auf dem Druckbett verbleiben, bis der Laserprozess abgeschlossen ist und die nächste Schicht aufgetragen wird. Um dieses Ziel zu erreichen wird ein Gasstrom angeregt, und die einzelnen Partikel des Pulvers auf dem Druckbett angesaugt. Dieses Verfahren, das Pulver im Druckbereich zu stabilisieren, wurde bereits zuvor auf Parabelflügen in verschiedenen Variationen erprobt und zeigt eine hohe Zuverlässigkeit.
Dieser Parabelflug dient der Erprobung einer gänzlich neuen Anlage, basierend auf dem bewährten Prinzip, die als Nutzlast einer Forschungsrakete konzipiert ist und bereits 2020 erstmals auf einer MAPHEUS-Rakete eingesetzt werden wird. Diese neuentwickelte Fertigungseinheit arbeitet vollautomatisiert, verfügt über eine unabhängige Energieversorgung, ist robust gegen die bei einem Raketenstart auftretenden Belastungen und ist von geringem Gewicht. Über eine Telemetrieverbindung lässt sich der Fertigungsprozess vom Boden aus Überwachen. Im Parabelflug stehen Raketennutzlast und Bodenstation Seite an Seite. Es geht neben der erstmaligen Erprobung der Hardware unter Schwerelosigkeit auch um das optimieren von Anlagenparametern für unterschiedliche, anspruchsvolle Materialien, wie etwa metallische Massivgläser.