Luft- und Raumfahrt – 3D Druck in der Luft

3D Druck in der Luft- und Raumfahrt

Gerade in der Luft- und Raumfahrt hat der 3D Druck ein riesiges Potenzial. Bei der Nutzung der additiven Fertigung geht es hier unter anderem darum, Ersatzteile an Bord der Raumstation und auch in Raketen fertigen zu können, das Lebensmittelproblem an Bord der ISS und späterer Module zu lösen und auch eine erneute Landung auf dem Mond vorzubereiten. Wir könnten uns auch vorstellen, dass sich diese Technologie für die Reise zum Mars nutzen lässt. Bis es aber zur ersten Marsmission kommt, dürften noch einige Jahre ins Land gehen. Natürlich wird die Zeit bis dahin auch in der Erforschung und Nutzung der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt nicht stehenbleiben.

Warum profitiert die Luft- und Raumfahrt vom 3D Druck?

Im Weltraum gibt es sehr wenige verwertbare Rohstoffe. Zugleich schwebt dort viel Staub in der Luft. Es ist angedacht, den aggregierten Staub mit mikroskopischen Partikeln zu versetzen und so unter Einsatz der additiven Fertigung feste Strukturen zu erzeugen. Aus diesen Strukturen, aber auch aus wiederverwertbaren Plastik- und Metallteilen, die vor Ort zerkleinert und zu neuem Filament verarbeitet werden können, lassen sich Ersatzteile herstellen. Diese können dann in Geräte oder Apparaturen eingebaut, für wissenschaftliche Experimente und dergleichen mehr genutzt werden. Sogar Lebensmittel können mit einem 3D Drucker optisch schöner angerichtet werden. Dazu hat beispielsweise die NASA ein Projekt der „Systems and Materials Research Corporation“ finanziert, das der Entwicklung von 3D Lebensmitteldruckern vorantreiben soll, die in einer schwerelosen Umgebung einsetzbar sind.

Des Weiteren ist es sehr kostenintensiv, Werkzeuge und andere Materialien mit einer Rakete zur ISS zu schicken. Pro Kilogramm liegen die Kosten bei umgerechnet etwa 17.000 US-Dollar. Deshalb ist es sinnvoller, Material zu senden, dass dann vor Ort zu einem Werkzeug, Ersatzteil oder ähnliches geformt wird und sich später eventuell auch wieder recyceln lässt. Der Transport des 3D Druckers und des Filaments ist somit erheblich kostengünstiger als das der Transport fertiger Werkzeuge und Ersatzteile, die dann ja auch noch gelagert werden müssen.

3D Drucker für die Schwerkraft

Die NASA hat gemeinsam mit dem Unternehmen Made in Space einen 3D Drucker namens Zero G entwickelt, der ohne Schwerkraft auskommt. Dieses Gerät nutzt die FDM Technologie (Fused Deposition Modeling) und wurde bereits erfolgreich getestet. Damals übermittelte die Bodenstation die Datei zur ISS, wo dann der 3D Drucker eine Ratsche anfertigte.

Ein weiteres Ziel ist es nun, eine Datenbank zu erstellen, die alle 3D Dateien für Teile enthält, die in der Raumstation benötigt werden. Fällt ein solches Bauteil aus, kann es direkt vor Ort neu gedruckt werden, was wesentlich weniger Zeit benötige als der Transport eines Ersatzteils mit einer Rakete. Vom Kostenfaktor ganz zu schweigen.

Lebensmitteldruck im All

Ingenieure der NASA entwickelten eine Technologie, die der Ernährung der Astronauten bei längeren Raumflügen beziehungsweise Raumfahrtmissionen dient. So haben sie einen 3D Drucker entwickelt, der im Weltraum eine dreidimensionale Pizza herstellen kann. Da Pizzen schichtweise gefertigt werden (erst der Teig, dann die Tomatensoße, dann weiterer Belag und zum Schluss der Käse), kommt dies dem 3D Druck sehr recht, denn auch hier wird schichtweise gedruckt. Bis zur Fertigstellung der Pizza sollen nur wenige Minuten vergehen.

Errichtung einer Mondstation auch mit Hilfe des 3D Drucks denkbar

Die Europäische Weltraumorganisation ESA hofft, den 3D Druck zur Errichtung einer Mondstation nutzen zu können. Dazu hat das Architekturstudio Fosters + Partner gemeinsam mit dem Unternehmen Monolite UK eine Struktur entworfen, die später auf dem Mond an einer Kuppel montiert werden soll. Diese Kuppel wird auf der Erde erbaut, dann vor Ort aufgestellt und mit auf dem Mond vorhandenem Material verfestigt. Die Kuppel dient der Abwehr von Meteroriteneinschlägen und filtert sowohl die Sonneneinstrahlung als auch die Gammastrahlen heraus. 

Triebwerk aus dem 3D Drucker

Schon in der Mitte dieses Jahrzehnts stellte die ESA das erste 3D gedruckte Triebwerk für Raumfahrzeuge vor, das mit einer Platinbrennkammer ausgestattet ist. Der Einsatz des 3D Drucks brachte dabei einige Vorteile zutage. Das Triebwerk selbst ist dabei ähnlich leistungsfähig wie ein konventionell gefertigtes Triebwerk. Zu den Vorteilen dieser Technologie gehören die geringeren Produktionskosten und die Verwendung neuer Materialien.

Für einen 1D-Motor stellte SpaceX ein Oxidationsventil vor. Dieses soll in Falcon 9-Raketen eingebaut werden.

3D Druck in der Luftfahrt

Nicht nur in der Raumfahrt, sondern auch in der Luftfahrt werden 3D Drucker immer stärker genutzt. So hat beispielsweise Stratasys vor einiger Zeit bekanntgegeben, in einem Airbus 1.000 3D gedruckte Teile eingebaut zu haben. Das Unternehmen Pratt & Whitney hat sich mit der Firma Bombardier zusammengetan, um die Fertigung 3D gedruckter Motorenteile zu ermöglichen. Auch der Flugzeughersteller Boeing hat die Zeichen der Zeit erkannt und ein Patent angemeldet, das es ermöglicht, durch die additive Fertigung Ersatzteile für seine Maschinen zu drucken. Dadurch lassen sich Transport- und Lagerkosten in erheblichem Umfang reduzieren.

Der Flugzeughersteller Boeing ging für die Anfertigung eines großen 3D gedruckten Werkzeugteils eine Kooperation mit Thermwood ein. Zum Einsatz kommen soll dieses Werkzeug in den X777 Flugzeugen.

Auch Siemens hat sich der Nutzung und Weiterentwicklung des 3D Drucks verschrieben. So hat das Unternehmen beispielsweise gemeinsam mit dem Flugzeugteilehersteller Strata für Flugzeuge der Etihad Airline Monitorrahmen gedruckt, die hinten in die Rückenlehnen der Sitzplätze eingelassen werden. Bis dahin mussten die Rahmen noch manuell nachbearbeitet werden. 

Fazit

Der Einsatz des 3D Drucks in der Luft- und Raumfahrtindustrie bringt eine Menge an Vorteilen mit sich. Dazu zählen nicht nur die im Vergleich zur konventionellen Fertigung geringeren Mengen an Verbrauchsmaterialien und die Fertigung komplizierter Geometrien„aus einem Guss“,  sondern auch die niedrigeren Kosten. Des weiteren sind 3D gedruckte Teile oft wesentlich leichter. Jedes eingesparte Kilogramm Gewicht schlägt sich natürlich beim Treibstoffverbrauch positiv nieder. Ein weiterer Vorteil gerade für die Raumfahrt ist, dass die Objekte direkt vor Ort – also auch in der Raumstation oder später auf dem Mond und dem Mars – gefertigt werden können.

Weiterführende Literatur/Quellen:

  • https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/1115.html
  • https://www.detail.de/blog-artikel/lebensraum-aus-dem-drucker-mondprojekt-von-foster-partners-22990/
  • https://blog.thermwood.com/boeing-and-thermwood-partner-to-demonstrate-new-3d-printing-technology-0
  • https://www.siemens.com/innovation/de/home/pictures-of-the-future/industrie-und-automatisierung/3d-druck-ersatzteile-fuer-flugzeuge.html