Hinter den Kulissen des ersten Metallteils, das an Bord der ISS per 3D-Druck hergestellt wurde
Airbus nimmt uns an Bord der ISS mit, um die Fortschritte des ESA-Programms für Metall-3D-Druck im Weltraum zu sehen
Im August 2024 wurde an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) ein historischer Durchbruch erzielt: Das erste Metallteil wurde erfolgreich im Weltraum in 3D gedruckt. Diese Leistung stellt einen bedeutenden Sprung für den Bereich der Weltraumfertigung dar und öffnet neue Türen für künftige Missionen, die auf die Produktion und Reparaturen in der Umlaufbahn angewiesen sein könnten. Die von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) geleitete Pioniermission hat gezeigt, dass der Druck von Metallteilen in der Schwerelosigkeit nicht nur möglich, sondern auch für die künftige Erforschung des Weltraums entscheidend ist.
Die Reise zur ISS: die Ankunft des 3D-Metalldruckers
Der 3D-Metalldrucker, der von Airbus und seinen Konsortialpartnern mit Finanzierung durch die ESA entwickelt wurde, traf im Januar 2024 auf der ISS ein. Das Hauptziel des Druckers war es, die Herstellungsmöglichkeiten von Metallkomponenten unter den einzigartigen Bedingungen des Weltraums zu demonstrieren. Nach seiner Installation auf dem Columbus-Modul der ISS im Mai begannen die Vorbereitungen für den eigentlichen 3D-Druck unter der Leitung des ESA-Astronauten Andreas Mogensen, der dafür sorgte, dass der Drucker hermetisch versiegelt und für seinen ersten Einsatz bereit war.
Diese Leistung war kein Alleingang. Sie erforderte eine enge Zusammenarbeit zwischen mehreren Organisationen. Airbus Defence and Space war bei der Entwicklung des 3D-Druckers die treibende Kraft, unterstützt von dem französischen Metall-AM-Hardwareunternehmen AddUp sowie der Universität Cranfield und Highftech Engineering. Alle Partner spielten eine Schlüsselrolle bei der Verwirklichung dieses ehrgeizigen Projekts. Ihr gemeinsamer Einsatz unter der Leitung der ESA stellte sicher, dass die Spitzentechnologie den Weg in den Weltraum fand und den Weg für künftige Fortschritte in der Fertigung ebnete.
Bedeutung und Herausforderungen des 3D-Metalldrucks im Weltraum
Die Möglichkeit, Metallteile im Weltraum herzustellen, ist ein wichtiger Meilenstein für künftige Raumfahrtmissionen. Bislang müssen alle Komponenten für die Weltraumforschung auf der Erde gefertigt und in die Umlaufbahn transportiert werden. Dieser Prozess kann kostspielig und logistisch komplex sein. Mit der Einführung des 3D-Metalldrucks an Bord der ISS könnten die Astronauten nun potenziell Werkzeuge, Komponenten oder sogar Ersatzteile direkt im Orbit herstellen. Dies könnte Zeit sparen, die Kosten senken und die Autarkie von Weltraummissionen, insbesondere von Langzeitmissionen, verbessern.
Die Fertigung im Weltraum ist aufgrund der Mikrogravitation viel komplexer als auf der Erde. Herkömmliche Fertigungsmethoden sind auf die Schwerkraft angewiesen, um Materialien zu positionieren und Prozesse zu steuern. Das Fehlen der Schwerkraft bedeutet, dass sich Prozesse wie die Abscheidung von geschmolzenem Metall unvorhersehbar verhalten. Deshalb mussten die Ingenieure neue Strategien und Technologien entwickeln, um den 3D-Druckprozess an diese schwierigen Bedingungen anzupassen. Die ISS bot ein einzigartiges Testfeld, um diese Herausforderungen zu verstehen und praktikable Lösungen zu entwickeln.
Die Fähigkeit, Teile im Weltraum herzustellen, hat weitreichende Auswirkungen. Der offensichtlichste Vorteil ist die Möglichkeit, Ersatzteile und Werkzeuge auf Abruf herzustellen. Dies könnte sich bei Langzeitmissionen von unschätzbarem Wert erweisen, z. B. bei Missionen zum Mars oder zum Mond, bei denen Nachschubmissionen von der Erde aus unpraktisch wären. Darüber hinaus könnte die Fertigung im Weltraum den Bau größerer Strukturen erlauben, die von der Erde aus nur schwer oder gar nicht zu starten wären. Dies betrifft alles, von Satelliten bis hin zu Weltraumhabitaten.
Vorbereitung und Aufbau im Columbus-Modul der ISS
Nach der Ankunft des Druckers auf der ISS war der nächste Schritt die Installation. Das Columbus-Modul wurde sein Zuhause, wo der Astronaut Andreas Mogensen eine entscheidende Rolle bei der Einrichtung des Geräts spielte. Zu den wichtigsten Schritten gehörte die Versiegelung der Druckertür, um eine kontrollierte Umgebung zu schaffen, die für einen sicheren und erfolgreichen Betrieb erforderlich ist. Angesichts der Sicherheitsbedenken, die mit dem Betrieb eines Hochleistungslasers im Weltraum verbunden sind, waren diese ersten Schritte entscheidend, um sowohl die Sicherheit der Astronauten als auch die Integrität der Ausrüstung zu gewährleisten.
Die Sicherheit hatte während des gesamten Projekts oberste Priorität. Damit keine schädlichen Gase oder Partikel in die ISS-Atmosphäre entweichen konnten, wurde der Drucker hermetisch versiegelt. Dazu gehörte auch die sorgfältige Kontrolle der internen Umgebung des Druckers, um die Risiken während des Betriebs zu minimieren. Die Innenatmosphäre des Druckers wurde so verändert, dass der Sauerstoffgehalt reduziert wurde, was dazu beitrug, das Risiko einer Verbrennung aufgrund der hohen Temperaturen, die für den Metalldruck erforderlich sind, zu verringern.
Das Druckverfahren: DED aus Edelstahl
Der eigentliche 3D-Druckprozess begann mit der Ablagerung von Edelstahl. Im Gegensatz zu herkömmlichen Desktop-3D-Druckern, die Kunststofffilamente verwenden, wurde in diesem Drucker Edelstahldraht verwendet, der mit einem leistungsstarken Laser geschmolzen wurde. Der Hochleistungslaser erreichte Temperaturen von über 1.200 °C, um den Metalldraht zu schmelzen, der dann Schicht für Schicht auf eine bewegliche Platte aufgebracht wurde. Im Verlauf der Zeit nahm das Teil Form an, wobei jede Schicht sorgfältig auf der vorhergehenden aufbaute.
Bevor die Produktion in vollem Umfang aufgenommen wurde, führte das Team eine Reihe von Inbetriebnahmetests durch, um sicherzustellen, dass alle Teilsysteme des Druckers ordnungsgemäß funktionierten. Diese Tests waren wichtig, um zu überprüfen, ob Komponenten wie das Drahtvorschubsystem, der Laser und die beweglichen Platten richtig synchronisiert waren. Außerdem stellten die Tests sicher, dass der Drucker Metall mit der für einen erfolgreichen 3D-Druck in der Schwerelosigkeit erforderlichen präzisen Steuerung aufbringen konnte.
Der erste Schritt im Druckprozess bestand darin, eine einfache 2D-Form zu erstellen: den Buchstaben „S“. Dies war ein entscheidender Meilenstein, da er zeigte, dass der Drucker in der Lage war, Material in der richtigen Form abzuscheiden. Der leitende Ingenieur Anthony Lecossais bezeichnete dies als den ersten erfolgreichen Test der Fähigkeit des Systems, 2D-Drucke zu verarbeiten. Die nächste Herausforderung bestand darin, von 2D zu 3D überzugehen, d. h. mehrere Schichten übereinander aufzutragen, um ein vollständig dreidimensionales Objekt zu erzeugen.
Achieving the first complete 3D printed metal part
The transition to 3D printing was not without its challenges. The team at Airbus and CNES worked closely to monitor the process in real-time, making necessary adjustments along the way. Printing in microgravity presented unique challenges, such as ensuring that each layer was correctly aligned. This meticulous process required constant feedback between the ISS and ground control, with print operations often broken into short sequences, followed by assessments and adjustments.
One of the most critical aspects of the 3D printing process was ensuring that each layer of metal was deposited at the correct height. This process required extreme precision, as even slight deviations could affect the final product’s structural integrity. The team monitored the height of each layer and made calibration adjustments between layers to ensure that the final part would meet the necessary specifications.
By mid-July 2024, the team had successfully printed 55 layers, marking the halfway point of the first sample. This achievement signaled the start of what was called the „cruise phase,“ where the team was able to accelerate the printing process thanks to a series of optimizations both on the ground and on the ISS. These optimizations allowed the printer to operate more efficiently, increasing the printing time from 3.5 to 4.5 hours per day.
Astronautische Effizienz
Ein wichtiger Verbesserungspunkt war die Geräuschentwicklung des Druckers. Nach einer Analyse der Geräuschanforderungen konnte das Team die Betriebszeiten des Druckers verlängern, was wiederum den Druckprozess beschleunigte. Anfang August 2024 war das erste 3D-gedruckte Metallmuster abholbereit und markierte den Höhepunkt monatelanger harter Arbeit und sorgfältiger Planung.
Nach Abschluss des Druckvorgangs hatten die Astronauten Sunita Williams und Jeanette Epps die Aufgabe, die erste Probe aus dem 3D-Metalldrucker zu holen. Die versiegelte Box des Druckers musste sorgfältig behandelt werden, um die richtige Atmosphäre im Inneren aufrechtzuerhalten und die Sicherheit an Bord zu gewährleisten. Dazu gehörte auch die erneute Zuführung von Sauerstoff in die Box, damit die Astronauten sicher an das gedruckte Teil gelangen konnten.
Während der Druckphase war das Innere des Druckers mit Stickstoff gefüllt, um die Oxidation des Metalls zu verhindern und die Brandgefahr durch den Hochleistungslaser zu verringern. Für die Qualität des Drucks und die Sicherheit der ISS-Besatzung spielte Stickstoff eine entscheidende Rolle. Nach Abschluss des Druckvorgangs stellte das Team die Atmosphäre im Inneren des Druckers wieder her, bevor es den Astronauten erlaubte, das Teil zu entnehmen.
Wie geht es weiter mit der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt?
In der nächsten Projektphase wird das gedruckte Metallteil auf der Erde analysiert. Die ESA plant, die mechanischen Eigenschaften des im Weltraum hergestellten Teils mit denen eines ähnlichen Teils zu vergleichen, das in einem Labor unter der Schwerkraft der Erde hergestellt wurde. Dieser Vergleich liefert wertvolle Daten über die Auswirkungen der Mikrogravitation auf den 3D-Druckprozess. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, zukünftige Drucktechniken zu verfeinern und die Zuverlässigkeit der Fertigung im Weltraum zu verbessern.
Der Erfolg dieses 3D-Metalldruckexperiments stellt einen bedeutenden Fortschritt für die Fertigung im Weltraum dar. Mit der Möglichkeit, Metallteile nach Bedarf zu produzieren, werden künftige Weltraummissionen flexibler und unabhängiger sein. Diese Fähigkeit könnte sich als entscheidend für Weltraummissionen erweisen, bei denen eine Versorgung von der Erde aus nicht möglich ist. In Zukunft könnte diese Technologie zur Herstellung von Ersatzteilen bis hin zu großen Strukturen im Weltraum eingesetzt werden und die langfristige Erforschung und Besiedlung anderer Planeten unterstützen.
Mit dem erfolgreichen Druck des ersten Metallteils im Weltraum hat die Raumfahrttechnik einen großen Schritt nach vorn gemacht. Indem die ESA, Airbus und ihre Partner gezeigt haben, dass der 3D-Druck in der Schwerelosigkeit funktionieren kann, bieten sich vielfältige Möglichkeiten für künftige Weltraummissionen. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologie durch Ingenieure und Forscher wird der Traum von der Herstellung von Werkzeugen bis hin zu ganzen Lebensräumen im Weltraum immer mehr zur Realität.
