Quelle: BAM. 15. März 2023.

15. März 2023 – Bei pulverbasierten 3D-Druckverfahren wird ein Bauteil durch das Aufbringen von Schichten eines fließfähigen Pulvers aufgebaut. Die einzelnen Schichten werden dann mittels Laserstrahl verschmolzen und anschließend aus dem Pulverbett herausgetrennt. In früheren Kampagnen wurde die industriell bereits erfolgreiche Fertigungsmethode des Selektiven Laserschmelzens, das Laser-based Powder Bed Fusion (LPBF), in Schwerelosigkeit erprobt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass ein Gasstrom durch das Pulver die für den Schichtauftrag notwendige Gravitation ersetzen kann. Erste metallische Bauteile wurden in der Schwerelosigkeit erfolgreich gefertigt.

„Die additive Fertigung wird zunehmend auch für die Luft- und Raumfahrtbranche wichtig“, erklärt Prof. Dr. Jens Günster, Projektleiter und Leiter des Fachbereiches Multimateriale Fertigungsprozesse an der BAM. „Durch die Optimierung von pulverbasierten 3D-Druckverfahren, wie sie die BAM bei der Parabelflugkampagne erprobt, können Bauteile in Zukunft vor Ort hergestellt und so Weltraummissionen effizienter und nachhaltiger werden.“

Im aktuellen Experiment liegt der Fokus auf der Optimierung des Pulverauftrags sowie der Qualitätskontrolle und Visualisierung der aufgetragenen Schichten. Dazu wird die im letzten Experiment erprobte und weiterentwickelte Depositionseinheit genutzt, in der das Pulver nicht aus einem einzelnen großen Behälter appliziert wird, sondern mittels einzelner Zellen, die in einer Wabenstruktur verbunden sind. Das Design reduziert das Verklumpen einzelner Pulverpartikel und unterstützt einen homogenen Schichtauftrag. Zusätzlich setzt das Team einen Linienscanner ein, um die einzeln aufgetragenen Pulverschichten während des Druckprozesses zu vermessen. So kann erstmals die Oberflächenqualität während der Herstellung ermittelt werden.

Ein weiterer Schwerpunkt des Experiments liegt auf der Untersuchung von Mondregolith-Simulant als Fertigungsmaterial für Ersatzteile. Die Nutzung von vorhandenen Materialien vor Ort, wie pulverisiertem Mondgestein, kann Raumfahrtmissionen noch flexibler gestalten. Anknüpfend an vorangegangene Versuche soll das Schmelzverhalten von Mondstaub im additiven Fertigungsprozess weiter untersucht werden. Insbesondere die Ausbildung eines Schmelzbades im Pulverbett für unterschiedliche Größen des Laserstrahls in Schwerelosigkeit sowie in normaler Erdgravitation und Hypergravity stehen dabei im Fokus.

Ein zweites Experiment, das von der xolo GmbH Berlin geleitet wird und an dem die BAM beteiligt ist, testet ein neues additives Fertigungsverfahren für Polymerwerkstoffe, das für Anwendungen in der regenerativen Medizin eingesetzt werden soll. Das BAM-Team will das Verfahren von xolo in Zusammenarbeit mit der Montanuniversität Leoben (Dr. Johanna Sänger und Prof. Dr. Raúl Bermejo) mit neuen Werkstoffen kombinieren und für Weltraummissionen optimieren.

Projekt Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit
https://www.dlr.de/de/ar/themen-missionen/weltraumforschung/forschung-unter-weltraumbedingungen/forschungsplattformen/parabelflug/parabelflug-40/additive-fertigung

Interview mit Jens Günster zur Forschung der BAM an additiven Verfahren für Weltraummissionen
https://www.bam.de/Content/DE/Interviews/material-interview-jens-guestner-pulverbasierte-additive-fertigung-unter-schwerelosigkeit.html

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: BAM.

2. März 2022 – Zusammen mit der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR (Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt) und der DHM Prüfsysteme hat die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in der 38. Parabelflugkampagne des DLR im Februar 2022 ein verbessertes Design für das Drucken in Schwerelosigkeit getestet und daraus neue Erkenntnisse abgeleitet.

„LSDzero – Pulverbasierte additive Fertigung unter reduzierten Schwerkraftbedingungen“ so heißt das Forschungsvorhaben, bei dem ein Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut wird. Voraussetzungen dafür sind ein fließfähiges Pulver sowie ein virtuelles 3D-Modell des gewünschten Bauteils. Nach dem Schichtauftrag wird beim Selektiven Laserschmelzen (LPBF) die Geometrie aus dem virtuellen 3D-Modell mittels Laser in die einzelne Schicht übertragen. Ein zentraler Aspekt ist dabei die Homogenität der Schichten: Bilden sich z. B. Poren im Bauteil, hat das unmittelbare Auswirkungen auf die Qualität und Stabilität. Eine zusätzliche Herausforderung für die Anwendung in der Raumfahrt sind die verschiedenen Gravitationsverhältnisse. In vergangenen Experimenten konnte das Forschungsteam nachweisen, dass ein Gasstrom, der durch das Pulver hindurchgeleitet wird, die Gravitation ersetzen kann.

Bei der Kampagne im Februar haben die Wissenschaftler*innen jetzt den Schichtauftragsmechanismus noch einmal optimiert: Die Depositionseinheit, mit der das Pulver zu einer homogenen Schicht aufgetragen wird, bestand bislang aus einem einzigen Pulverbehälter – was eine ungleichmäßige Verteilung des Pulvers im Behälter während der Schwerelosigkeit zur Folge hatte. Getestet wurde nun ein neues Pulverreservoir mit Wabenstruktur, die zudem mechanisch angeregt wurde. Durch dieses Design wird die Agglomeration des Pulvers auf die einzelnen Zellen beschränkt und die Pulverpartikel werden durch die Vibration homogen in den einzelnen Zellen verteilt. Die Auswertungen der aktuellen Experimente zeigen, dass das neue Design tatsächlich die Schichtqualität verbessert und damit insgesamt die Qualität der Bauteile erhöht.

Die detaillierten Ergebnisse der Entwicklung der Pulverdeposition werden im März auf der International Conference on Advanced Manufacturing for Air, Space and Land Transportation (ICAM22) vorgestellt. Die Konferenz, die von der europäischen Raumfahrtorganisation ESA und der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA co-organisiert wird, bringt erstmalig internationale Kompetenzen im Bereich fortgeschrittene Produktionstechnologien (z.B. Material und Prozesse) und Raumfahrt zusammen.

Zur Bündelung von Kompetenzen im Bereich 3D-Druck für Luft- und Raumfahrtanwendungen unterstützt die BAM zudem die Bildung des Netzwerks Aero+Space des Vereins Mobility goes Additive (MGA). Schirmherrin der Working Group Aero+Space ist die Technische Universität Berlin. Die Working Group verbindet Industrie und Forschungsgruppen, um gegenseitige Anforderungen zu definieren und gemeinsame Projekte z.B. im Bereich Materialien, Prozesse oder auch Qualifizierung und Standards, durchzuführen.

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT.

8. September 2021 – Mit dem Verfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) wurde erstmals ein neuer Präzisionsgreifarm aus Metallpulver in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP entwickelt und aufgebaut – für die Montage von Weltraumkomponenten im Reinraum ein Novum! Der Greifarm ist leichter als sein Vorgänger und doch stabil genug, um schwerere Laseroptiken ultragenau montieren und justieren zu können.

Lasersysteme für den Weltraumeinsatz

Vibrationstest und Klimakammer – das sind typische Stationen bei der Qualifizierung eines Lasersystems für den Weltraumeinsatz. Trotz höchster Belastungen müssen die Systeme mikrometergenau justiert bleiben, um im All sicher arbeiten zu können.
Am Fraunhofer ILT in Aachen wurde in den vergangenen Jahren die Montagetechnik für solche Lasersysteme entwickelt und immer weiter verbessert. Dabei arbeiten die Expertinnen und Experten des Fraunhofer ILT mit Partnern wie DLR, Airbus Defence and Space, TESAT Spacecom sowie der ESA zusammen, um komplexe optische Systeme zu bauen. Für den Aufbau dieser optischen Systeme werden modernste Technologien eingesetzt: Alle wesentlichen Justierschritte werden mit manuell geführten Robotern im Pick & Align-Verfahren vorgenommen. Ein zentrales Werkzeug ist der Greifarm. Er sitzt auf einem Hexapoden und positioniert die Bauteile mikrometergenau im optischen Aufbau. Dort werden sie auf wenige mikro-rad genau justiert und durch Löten fixiert. Der Aufbau des Greifarms ist entscheidend für die Präzision der Montage und gibt auch das maximale Gewicht der optischen Komponenten vor.

Mit bionischem Design und additiven Methoden zu mehr Tragkraft

Um die Leistungsfähigkeit der Aufbautechnologie weiter zu steigern, entwickelte das Fraunhofer ILT einen komplett neuen Greifarm. Nach seiner Konstruktion legten die Kolleginnen und Kollegen des Lehrstuhls für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University zudem die bionischen Strukturen so aus, dass bei kleinerem Eigengewicht seine Nutzlast vergrößert werden konnte. Gefertigt wurde der topologieoptimierte Greifarm schließlich via Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ebenfalls am Lehrstuhl DAP. Dank einer speziellen Nachbearbeitung erreicht der Greifarm die Reinraumklasse ISO5. Das ist ein absolutes Novum – bislang verhinderte Restpulver an den Bauteilen den Einsatz additiver Methoden bei solchen Präzisionswerkzeugen im Reinstraum. Der neue Greifarm ist zweigeteilt mit einem statischen und einem beweglichen Teil. Zuleitungen für benötigte Medien sind zur Minimierung der Kontamination in den Greifarm integriert.

Für die Missionen der Zukunft

Dieses Präzisionswerkzeug bewegt deutlich schwerere Teile als das bislang eingesetzte Werkzeug, gleichzeitig ermöglicht es eine stabilere Justage. »Wir beschreiten mit dieser Technologie einen für uns neuen Weg. Es wird nicht erst konstruiert und dann geschaut, ob das Bauteil die gewünschten Eigenschaften hat, sondern die Bauteilgeometrie wird für die Belastungsszenarien optimiert«, beschreibt Michael Janßen, der seit Jahren am Fraunhofer ILT die Greifer für die Montage konstruiert, die Vorgehensweise.

Eingesetzt wird der neue Greifer im Rahmen von FULAS – einer universellen Technologieplattform, welche die Aachener zum Aufbau von Lasersystemen in Luft- und Raumfahrtprojekten entwickelt haben. »Wir haben in die Fertigung des neuen Greifers die Erfahrungen aus der gesamten FULAS-Entwicklung eingebracht« resümiert Projektleiter Heinrich Faidel vom Fraunhofer ILT die Aktivitäten. Ein System auf FULAS-Basis wird derzeit für die deutsch-französische Klimamission MERLIN (Methane Remote Sensing Lidar Mission) aufgebaut. Der Kleinsatellit MERLIN soll von Kourou, Französisch-Guayana, aus in den Weltraum befördert werden, um die Verteilung von Methan in der Erdatmosphäre zu kartieren. Kernkomponente des Satelliten ist ein LIDAR-Laser, der Lichtpulse in die Atmosphäre schickt und aus dem zurückgestreuten Licht die Methankonzentration bestimmt.

Treffen Sie unsere Expertinnen und Experten auf dem 15. Tag der Deutschen Luft- und Raumfahrtregionen am 29. September 2021 in Aachen.

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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