Raumfahrt 3D-gedruckte Prototypen für eine Mondmission 2021

Der neue Run auf den Mond wird von additiver Fertigung unterstützt. Das fängt schon bei Prototypen an, die mittels 3D-Druck schnell und in der benötigten Qualität hergestellt werden. Dabei ist es absolut kritisch, dass diese fehlerfrei funktionieren.

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In den 1960er Jahren war der einzige Erdtrabant bekanntermaßen das auserkorene Ziel der USA und der UDSSR. Nachdem die Amerikaner das ‚Race to the Moon‘ mit einer beispiellosen Anstrengung für sich entschieden, wurde es aber vergleichsweise still um ihn.

Doch in den neuen 20er Jahren des 21. Jahrhunderts zieht der Mond wieder die Aufmerksamkeit der raumfahrenden Nationen auf sich. Indien und China haben ihre Mondlandungen bereits 2019 vollbracht. Das Projekt Heracles, der ESA, Kanada und Japan, will Ende des Jahrzehnts auf dem Mond landen. 2024 könnten sogar wieder Menschen seine Oberfläche betreten, so hat es zumindest der damalige US-Präsident Trump beschlossen. Und was suchen wir auf dem Mond? Neben wissenschaftlichen Interessen, die vor allem die bisher kaum untersuchte dunkle Seite des Himmelskörpers betreffen, haben einige Mission auch das Ziel, auf dem Mond nach Rohstoffen zu suchen. Die Amerikaner hingegen wollen dort ein ‚Gateway‘ für interstellare Fernreisen, zum Beispiel zum Mars, errichten.

Ein Schlüsseltechnologie für alle Vorhaben könnte der 3D-Druck sein. Durch seine enorme Flexibilität lassen sich Leichtbauteile konstruieren und herstellen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich wären. Dazu könnten Habitate, Ersatzteile oder Nahrungsmittel während der Mission additiv erzeugt werden, was die Transportlast deutlich verringern würde. Auch ein Kunde von Triton Space Technologies will noch im Jahre 2021 eine Mondmission abschließen. Für diesen soll das Unternehmen ein Ventil herstellen, wobei es beim Prototypenbau auf den Einsatz von Method X 3D-Druckern von Markforged setzt. Um welchen Kunden es sich genau handelt, hat das Unternehmen nicht kommuniziert.

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Präzise Prototypen in kurzer Zeit hergestellt

Ziel des Vorhabens war es, Prototypen des Ventils herzustellen, mit dem es möglich ist, die Kompatibilität aller notwendigen Teile zu überprüfen. Da es nicht möglich ist, auf dem Mond schnell neue Ersatzteile zu beschaffen, müssen die internen Bestandteile des Ventils möglichst perfekt aufeinander abgestimmt sein. „Als wir das Projekt gestartet haben, hatten wir eigentlich keine großen Erwartungen. Von der Druckqualität und der hohen Präzision waren wir dann doch beeindruckt. Der Method X hat alle Toleranzen eingehalten“, sagt Luke Colby, Gründer und Geschäftsführer von Triton.

Bevor Triton additive Systeme nutze, dauerte es etwa zwei bis drei Tage, bis ein Prototyp hergestellt wurde. Dabei wurden diese in der Regel aus Aluminiumblech gefertigt, was viel Materialabfall verursachte und für das Unternehmen kostspielig war. Die Alternative war das Outsourcing an ein 3D-Druck-Servicebüro. Dies dauerte jedoch noch länger - bis zu einer Woche für jeden Prototyp - und führte nicht immer zu einem brauchbaren Teil. Um sicher zu stellen, dass die Teile den Anforderungen entsprechen, entschloss man sich also diese selbst zu drucken. „So können wir Verbesserungen und Anpassungen direkt umsetzen und müssen diese nicht mit Dritten absprechen oder auf den Versand der Teile warten“, erklärt Colby.

Stützstrukturen ohne manuelle Nacharbeit entfernen

Ein Schlüssel für die Umsetzung der funktionalen Prototypen ist das lösliche Stützmaterial von Stratasys. Das sogenannte SR-30 wurde speziell für die anspruchsvolle Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt. Der Vorteil dieses Werkstoffes ist es, dass die erforderlichen Stützstrukturen (Supports) nicht mechanisch entfernt werden müssen. Durch Schleifen oder Feilen könnten die erforderlichen Toleranzen womöglich nicht eingehalten werden. Die löslichen Stützstrukturen werden dagegen durch ein Bad in einer sanften NaOH-Lösung entfernt und bedürfen keiner manuellen Nacharbeit.

Modularität macht 3D-Drucker effizient

Neben den Ventilen hat Triton den Method X auch genutzt, um einen Prototyp einer Einspritzkopf-Baugruppe für den Krümmer eines kleinen Raketentriebwerks zu erstellen. Dieser soll die Strömungsanpassung der Treibstoffe verbessern und wäre nach Unternehmensangaben mit traditionellen Verfahren nicht umsetzbar gewesen. "Die Modularität der Extruder gibt und die Chance, unsere Möglichkeiten mit verschiedenen Materialien kontinuierlich zu erweitern und zu verbessern. Das ist wirklich wichtig für uns, denn die meisten Produkte veralten fast, sobald man sie kauft", schloss Colby.

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