3D-Drucker im irdischen und außerirdischen Einsatz

Seit die ersten 3D-Drucker vor 30 Jahren entwickelt wurden, haben sich ihre Anwendungsgebiete dramatisch erweitert. Die Grenzen des Verfahrens scheinen nur durch die Fantasie und den aktuellen Stand der Technik abgesteckt zu sein.

Die ersten 3D-Drucker wurden in den 1980er Jahren von Fahrzeugproduzenten entwickelt, um mit geringem Aufwand Prototypen herstellen zu können. Die Verfahren wurden weiterentwickelt und werden heute auch in der Massenproduktion von Mikrobauteilen und für Kleinserien angewendet. Stetig werden neue Anwendungsbereiche für den 3D-Druck erschlossen, etwa Modellbauteile, Implantate, Schmuck, biologisches Gewebe, Schuhe und sogar Gebäude. Kleine 3D-Druckermodelle und Bausätze sind bereits für private Anwender bezahlbar. Hightech-Modelle sollen dagegen bald auch in der Raumfahrt verwendet werden. Der 3D-Drucker ist zudem ein Ansatzpunkt für die sich selbst vervielfältigende Maschine.

3D-Drucktechniken

3D-Druck als additive Fertigung. Das Werkstück wird Schicht für Schicht gedruckt. Der 3D-Druck beginnt am Computer mit dem räumlichen Modell des gewünschten Werkstücks. Das Modell wird in Schichten zerlegt, um den Bewegungsablauf des Druckkopfes zu planen. Daraus wird eine Steuerdatei für den 3D-Drucker erstellt. Er fertigt das Werkstück schichtweise durch gezieltes Schmelzen von Pulver, Kunststoff oder Metall. Pulver oder Granulat kann er alternativ durch ein Bindemittel verfestigen. Grafik: ESA

3D-Druck als additive Fertigung. Das Werkstück wird Schicht für Schicht gedruckt. Der 3D-Druck beginnt am Computer mit dem räumlichen Modell des Werkstücks. Das Modell wird in Schichten zerlegt, um den Bewegungsablauf des Druckkopfes zu planen. Daraus wird eine Steuerdatei für den 3D-Drucker erstellt. Er fertigt das Werkstück schichtweise durch gezieltes Schmelzen von Pulver, Kunststoff oder Metall. Pulver oder Granulat kann er alternativ durch ein Bindemittel verfestigen. Grafik: ESA

Zunächst wird das räumliche Modell des zu druckenden Werkstücks am Computer mithilfe von CAD-Software konstruiert, wobei die Software eine Steuerdatei für den 3D-Drucker erstellt. Sie steuert ihn so, dass er nacheinander die Schichten des Werkstück-Modells aufeinander druckt. Hierfür gibt es verschiedene 3D-Drucktechniken, die beispielsweise Kunststoffe, Metalllegierungen, Keramikpulver oder auch essbares Material als Druckwerkstoff verwenden. Beispiele:

Schmelzschichtung. Bei diesem auch für private Anwendungen verbreiteten Verfahren wird eine Kunststofffaser einer Heizdüse zugeführt und dort verflüssigt. Die Position der Düse im Raum wird per Computer gesteuert, so dass der Kunststoff punktweise Schicht für Schicht aufgetragen werden kann. Typische Schichtdicken betragen je nach Anwendung Bruchteile eines Millimeters.

Stereolithographie. Eine geeignete Lichtquelle, etwa ein UV-Laser, härtet einen flüssigen, lichtempfindlichen Kunstharz, indem er schichtweise die Querschnittsfläche des gewünschten Werkstücks abfährt. Nach dem Härten der aktuellen Schicht wird die nächste Schicht flüssigen Kunstharzes zugefügt.

3D-Druck einer Hohlkugel aus Titan als Beispiel für die Fertigung einer komplexen geometrischen Form. Mit anderen Herstellungsverfahren hätte die Kugel nicht in einem Stück gefertigt werden können. Foto: ESA

3D-Druck einer Hohlkugel aus Titan als Beispiel für die Fertigung einer komplexen geometrischen Form. Mit anderen Herstellungsverfahren hätte die Kugel nicht in einem Stück gefertigt werden können. Foto: ESA

Bindung von Pulver oder Granulat. Der Querschnitt des Werkstücks wird schichtweise durch Schmelzen des Pulvers oder Granulats aufgebaut, zum Beispiel mithilfe eines Lasers. Nach dem Festigen einer Schicht wird jeweils eine neue Schicht des losen Werkstoffs aufgefüllt. Zum Festigen kann statt des Verschmelzens ein Bindemittel zugefügt werden. Auf diesem Wege kann beispielsweise aus Sand ein Gebäude 3D-gedruckt werden. Der Druckkopf fährt hierbei an einem Gerüst oder an einem Roboterarm auf den Sandschichten entlang.

Vorteile und Möglichkeiten

  • schnellere Herstellung des Werkstücks oder Prototypen
  • weniger Produktionsschritte
  • Herstellung von Produkten mit komplexer Formgebung in einem Arbeitsschritt möglich
  • geringerer Material- und Energieverbrauch
  • kostengünstige Herstellung von Produkten in kleiner Stückzahl möglich
  • stabilere und leichtere Werkstücke ohne Schweißnähte, Nieten oder Schraubverbindungen herstellbar
  • leichtgewichtige honigwabenartige Gitterstrukturen für die Raumfahrt mit erhöhter Hitzebeständigkeit durch die stark vergrößerte Oberfläche und damit erhöhte Wärmeabstrahlung
3D-Druck einer Antennenhalterung. Sie wurde zu Testzwecken für den 3D-Drucker mit optimierter Formgebung neu entworfen. Im Vergleich zu der ursprünglichen Antennenhalterung, die in einem Satelliten genutzt wurde, ließen sich durch den 3D-Druck 46% Gewicht einsparen. Die Festigkeit der Halterung wurde im Vibrationstest erfolgreich getestet. Grafik/Foto: ESA

Antennenhalterung. Sie wurde zu Testzwecken mit optimierter Formgebung für den 3D-Druck neu entworfen. Im Vergleich zu der ursprünglichen Antennenhalterung, die in einem Satelliten genutzt wurde, ließen sich durch den 3D-Druck 46% Gewicht einsparen. Die Festigkeit der Halterung wurde im Vibrationstest erfolgreich getestet. Grafik/Foto: ESA

Der Einspritzkopf mit komplexer innerer Geometrie wird in Brennkammern genutzt, Durchmesser 25 mm. Er wurde durch selektives Laserschmelzen im 3D-Drucker gefertigt. Die herkömmlich produzierte Version erfordert über hundert Schweißverbindungen, während diese Version ganz ohne Schweißverbindungen auskommt. Die hochpräzisen Löcher mit 0,15 mm Durchmesser erfordern zurzeit noch einen eigenen Produktionsschritt. Foto: ESA

Der Einspritzkopf mit komplexer innerer Geometrie wird in Brennkammern genutzt, Durchmesser 25 mm. Er wurde durch selektives Laserschmelzen im 3D-Drucker gefertigt. Die herkömmlich produzierte Version erfordert über hundert Schweißverbindungen, während diese Version ganz ohne Schweißverbindungen auskommt. Die hochpräzisen Löcher mit 0,15 mm Durchmesser erfordern zurzeit noch einen eigenen Produktionsschritt. Foto: ESA

3D-Drucker für die Raumfahrt

Bauteil einer 3D-gedruckten Antriebsdüse. Die Gitterstruktur verringert das Gewicht und erhöht die Wärmeabstrahlung. Foto: ESA

Bauteil einer 3D-gedruckten Antriebsdüse. Die Gitterstruktur verringert das Gewicht und erhöht die Wärmeabstrahlung. Foto: ESA

Siehe auch den Blog-Beitrag Die Mondbasis aus dem 3D-Drucker.

Die Mondbasis aus dem 3D-Drucker: Die aufblasbare Kuppel wird von fahrbaren Robotern mit einer dicken Schicht Mondstaub (Regolith) und einem Bindemittel bedruckt. Die Schicht schützt die Astronauten vor Weltraumstrahlung und Meteoriten. Grafik: ESA/Foster + Partners

Die Mondbasis aus dem 3D-Drucker: Die aufblasbare Kuppel wird von fahrbaren Robotern mit einer dicken Schicht Mondstaub (Regolith) und einem Bindemittel bedruckt. Die Schicht schützt die Astronauten vor Weltraumstrahlung und Meteoriten. Grafik: ESA/Foster + Partners

3D-Drucker können in Raumschiffen, in Raumstationen und in irdischen Produktionsstätten der Raumfahrt zukünftig zahlreiche Vorteile bieten. Die Anwendung der 3D-Drucker wird in dieser Richtung bereits angedacht und getestet, ist allerdings noch weit von der Routine entfernt. Denn es müssen beispielsweise noch Probleme der Nachbearbeitung gelöst werden, etwa der Oberflächenbeschichtung. Zudem muss die nötige Präzision der Werkstückmaße gesichert sein.

Zumindest gelegentlich wurden Bauteile aus dem 3D-Drucker zur Internationalen Raumstation ISS gebracht, beispielsweise ein Werkzeugkasten für das europäische Forschungsmodul Columbus. In Zukunft sollen in der ISS 3D-Drucker Ersatzteile vor Ort drucken. Den Anfang soll voraussichtlich im August 2014 ein 3D-Drucker der NASA für Kunststoff-Bauteile machen.

 

Das Logo des europäischen AMAZE-Projekts räumlich gedruckt als eine Gitterstruktur aus Titan. In dem von der ESA und EU geführten Projekt wird der 3D-Druck von Legierungen entwickelt, die Temperaturen von bis zu 3500 °C widerstehen können. Foto: ESA / N. Vicente

Das Logo des europäischen AMAZE-Projekts räumlich gedruckt als eine Gitterstruktur aus Titan. In dem von der ESA und EU geführten Projekt wird der 3D-Druck von Legierungen entwickelt, die Temperaturen von bis zu 3500 °C widerstehen können. Foto: ESA / N. Vicente

Auch bei der Europäischen Raumfahrtagentur ESA werden 3D-Drucker für die Raumfahrt entwickelt. Im AMAZE-Projekt (Additive Manufacturing Aiming Towards Zero Waste & Efficient Production of High-Tech Metal Products) arbeiten hierbei europaweit 28 Industrieunternehmen daran, Metallwerkstücke höchster Qualität zu drucken. Die AMAZE-Ingenieure konzentrieren sich dabei auf Hochtechnologielegierungen, die per Laser, Elektronenstrahl oder Plasma geschmolzen werden. Manche der Werkstoffe schmelzen erst bei 3500 °C. In Deutschland, Italien, Norwegen und Großbritannien entstehen Pilotanlagen für die unterschiedlichen 3D-Druckverfahren. Die neuen Technologien sollen auch auf der Erde genutzt werden, etwa in der Luftfahrtindustrie und der Automobilproduktion.

Mit AMAZE soll der erste 3D-Metalldrucker auf der ISS in Betrieb gehen. Langfristig sollen sogar ganze Satelliten gedruckt und die Technologie auf Mond- und Mars-Missionen genutzt werden.

Die Idee der sich selbst vervielfältigenden Maschine

Der 3D-Drucker hat das Potential, zu einer Maschine entwickelt zu werden, die sich selbst vervielfältig, also Kopien seiner selbst druckt. Diese Idee wurde bereits in der Mitte des 20. Jahrhunderts von dem Mathematiker John von Neumann ins Leben gerufen. Sie wurde von anderen Wissenschaftlern aufgegriffen und für verschiedene Aufgabenfelder gedanklich weiterentwickelt.

So schlug zum Beispiel der Physiker Freeman Dyson 1970 ein Konzept sich selbst vervielfältigender Maschinen für die Raumfahrt vor. Sie sollten sich auf dem Saturnmond Enceladus vervielfältigen, dort Eis abbauen. Parallel sollten sie Raumschiffe bauen, die per Solarsegel das Eis zum Mars transportieren sollten. Es sollte zur Terraformung des Roten Planeten genutzt werden. Ähnliche Ideen wurden beispielsweise zur Nutzbarmachung irdischer Wüsten vorgeschlagen und zum Erzabbau auf Asteroiden.

Für die interstellare Raumfahrt kann aufgrund der langen Reisezeiten ein Raumschiff sinnvoll sein, das nach Bedarf Ersatzteile herstellt und sich selbst repariert. Die Ideen lassen sich weiterspinnen, indem Maschinen ermöglicht wird, ihre Konstruktion nach Bedarf an unterschiedliche Umwelt- und Arbeitsbedingungen anzupassen.

Die Realisierung mit dem RepRap-Projekt

Einen realen Schritt in Richtung der sich selbst vervielfältigen Maschine geht das RepRap-Projekt. RepRap steht dabei für Replicating Rapid-prototyper. Diese Open-Source-Initiative, an der sich jeder beteiligen kann, entwickelt 3D-Drucker. Sie werden unter anderem auch dafür genutzt, zumindest schon mal die Kunststoff-Bauteile des 3D-Drucker selbst herzustellen. Damit wird die Entwicklung sicherlich nicht beendet sein.

Video. RepRap Mendel druckt die Kunststoffbauteile für weitere Mendels.

Links

3D Printing for Space: the Additive Revolution
http://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/Research/3D_printing_for_space_the_additive_revolution

RepRap (freier 3D-Drucker als Community-Projekt)
http://reprap.org/wiki/RepRap/de

RepRap-Channel auf YouTube
http://www.youtube.com/user/RepRapChannel

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