12.03.2019

Gruppenbild des zeroG-Teams 2019

Ready for take off: Das zeroG-Team 2019 führt Experimente zur additiven Fertigung unter Microgravity-Bedingungen durch (v.l.n.r. Janka Wilbig, Prof. Dr. Jens Günster, Dr. Andreas Zocca, Jörg Lüchtenborg, Prof. Dr. Kai Hilgenberg und Gunther Mohr)

Quelle: BAM, Referat Unternehmenskommunikation

Forschen in der Schwerelosigkeit: Ein Team unter Prof. Dr. Jens Günster, Leiter des Fachbereiches Keramische Prozesstechnik und Biowerkstoffe und Professor für Hochleistungskeramik an der TU Clausthal führt Experimente zur additiven Fertigung unter Microgravity-Bedingungen durch. Ziel ist es, Komponenten aus Edelstahl wie zum Beispiel Werkzeuge im Space herstellen zu können. Mit dem Projekt „Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit” hat das Team in den letzten beiden Jahren an Parabelflügen des DLR teilgenommen, um die entwickelten Geräte und Verfahren unter Realbedingungen testen zu können. In diesem Jahr hat das Team erneut mehrere Tage in Schwerelosigkeit experimentiert - mit dabei dieses Mal der Fachbereich Schweisstechnische Fertigungsverfahren.

Wie funktioniert das pulverbasierte Verfahren?

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.

Warum ist 3D-Druck in Schwerelosigkeit ein Thema?

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. Zudem kann man bei künftigen Raummissionen zum Mars nichts „hinterherschicken“. Ein benötigtes Teil vor Ort selbst drucken zu können, bedeutet auch maximale Flexibilität.

Worum geht es in den aktuellen Experimenten?

In zwei vorangegangenen zeroG Kampagnen, September 2017 und März 2018, wurde die industriell sehr erfolgreiche Fertigungsmethode 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 die Einheit für den Pulverauftrag unter Schwerelosigkeit noch mal optimiert. Zusätzlich soll die Machbarkeit eines Schichtauftrags metallischer Pulver mittels einer Suspension erprobt werden. Diese Experimente dienen zur Vorbereitung weiterführender Experimente unter Schwerelosigkeit im Weltraum: Zusammen mit dem DLR Institut für Materialphysik im Weltraum bereitet die BAM ein Experiment für den autonomen 3D Druck metallischer Bauteile in der "Mapheus" Stratosphärenrakete vor. Dort wird die Anlage sechs Minuten am Stück Zeit haben, ein Teil zu drucken. Experiment und Raketenstart sind für Sommer 2020 geplant.