Zukunft der Raumfahrt: Additive Fertigung als Treibstoff für Innovation

Es vergeht kaum noch eine Woche, in der die Unternehmen der Raumfahrtindustrie keine großen Schlagzeilen machen. Hier ein paar Beispiele: Virgin Galactic und Blue Origin bringen erstmals zahlende Fluggäste in den Weltraum, SpaceX fliegt Astronauten zur Raumstation und verkürzt den Weg zum Mars rasant, Die Orion-Kapsel von Lockheed Martin wird Astronauten bald wieder zum Mond bringen, Amazon, OneWeb und (erneut) SpaceX arbeiten an riesigen Konstellationen aus kleinen Satelliten. Inzwischen gibt es eine ganz neue Industrie für kleine Trägerraketen von Unternehmen wie Astra, Launcher, RocketLabs und Relativity.

Ein roter Faden, der sich durch diese Geschichten zieht, ist der industrialisierte Einsatz von 3D-Druck und additiver Fertigung (AM) für Raumfahrzeuge. Unabhängig vom Umfang der Auseinandersetzung mit der additiven Fertigung fliegen mit fast jeder neuen Trägerrakete und jedem neuen Satelliten auch 3D-gedruckte Bauteile mit und additive Fertigung wird auch in der Entwicklung sowie Fertigung genutzt. Das liegt vor allem an drei Faktoren: Stückzahlen, Gewicht und Einführungszeit.

Stückzahlen

Selbst bei der inzwischen massiven Verbreitung von Raketen und Satelliten produziert die Raumfahrtindustrie vergleichsweise kleine Serien. Kleinserien mittels herkömmlicher Methoden sind jedoch teuer, denn bei der Massenfertigung sinken die Kosten, weil sich die Aufwände für Werkzeugfertigungen, Automatisierungen und Einrichtungskosten auf Hunderttausende von Bauteilen verteilen. Wer aber nur eine Rakete oder hundert kleine Satelliten baut, erzielt keine solchen Skaleneffekte. Etablierte Fertigungsverfahren wie Spritzguss sind daher weitgehend unrentabel in der Raumfahrt. Wenn Unternehmen die Bauteile hingegen per 3D-Druck fertigen, benötigen sie keine solchen Werkzeuge und Formen, sodass das die Kosten pro Bauteil gegenüber herkömmlichen Methoden drastisch sinken.

Bedeutung des Gewichts

Das Gewicht hat in der Raumfahrt eine sehr viel größere Bedeutung als bei anderen Transportmitteln. Einer der wichtigsten Entwicklungen, die das Wachstum von Unternehmen wie SpaceX ermöglichten, ist ihre erfolgreiche Verringerung der bewegten Massen, denn es ist unglaublich viel Energie nötig, um Masse gegen die Erdanziehung durch die Atmosphäre zu befördern. Je mehr Gewicht die Rakete also trägt, desto mehr teure Energie benötigt sie. Die Verringerung der Masse senkt also die Energiekosten und verbessert die CO2-Bilanz des Weltraumflugs.

Additive Fertigung leistet dabei einen doppelten Beitrag zur Verringerung von Gewicht und Kosten. Einerseits werden beim 3D-Druck-gerechten Design aus Baugruppen funktionsintegrierende Bauteile, die so optimiert sind, dass sie eine geringere Masse haben als die bisherige Baugruppe. Andererseits entsteht bei der additiven Fertigung viel weniger Materialabfall, da die Bauteile Schicht für Schicht aus dem benötigten Material gefertigt und nicht mechanisch bearbeitet werden. So entstehen komplexe, leichte Formen – wobei das Verhältnis zwischen Gewicht des Rohmaterials und des Bauteils (Buy-to-fly-Ratio) besser ist als bei herkömmlichen Verfahren.

Einführungszeit

Die Akteure in der Raumfahrtindustrie suchen für die Zukunft der Raumfahrt stetig nach Möglichkeiten zur Verkürzung der Produkteinführungszeit. Gleichzeitig müssen sie gewährleisten, dass die Bauteile genau entworfen sowie gefertigt und vor dem Flug umfassend getestet werden. Die schnelle Herstellung von Prototypen mit 3D-Druck bietet vor dem Einstieg in die teure Produktion eine flexible Möglichkeit zur Erstellung, Erprobung und Verfeinerung komplexer Funktionsprototypen. Dies erlaubt schnellere Iterationen, individuelle Anpassungen und eine Kosten- und Zeiteffizienz, die bei herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht möglich ist.

Ein Beispiel ist Sierra Space, ein Unternehmen das mithilfe der FDM-Technologie Spannvorrichtungen für den Raumgleiter Dream Chaser druckte. Die Spannvorrichtungen bringen die Platten des Wärmeschutzsystems (TPS) in die richtige Position. Das Unternehmen sparte nicht nur Zeit, weil es die Spannvorrichtungen nicht gießen musste, sondern nutzte den 3D-Druck auch, um die Entwicklung des Designs der Spannvorrichtungen zu automatisieren. Mithilfe der CAD-Modelle der Platten generierten die Ingenieure automatisch die CAD-Modelle der Spannvorrichtungen und verkürzten so die Entwicklungszeit der einzelnen Spannvorrichtungsdesigns. Anschließend hat das Team das ursprüngliche Design der Spannvorrichtungen mit Blick auf die additive Fertigung optimiert und zusätzliche Einsparungen erzielt. Durch diese Optimierungen der Fertigungsmethoden konnten sie nicht nur den Materialverbrauch reduzieren, sondern auch die ursprünglich veranschlagte Druckzeit um 75 Prozent verringern.

Zukunft der Raumfahrt – Weitere Anwendungen von 3D-Druck

Zu den ersten additiven Fertigungsprojekten von Stratasys für die Raumfahrt zählt die Produktion von FDM-Komponenten für die Endanwendung in der Atlas-V-Rakete der United Launch Alliance (ULA) 2014. Bei jedem Start von Atlas V fliegen heute einige dieser Bauteile mit. Mit Blick auf das Gewicht ist eine Bauteil-Art besonders interessant: Die Rohrleitungen. Bis dato flog die Atlas V mit einem ringförmigen Konstrukt aus Aluminiumrohren. Dieses bestand aus 140 von Hand montierten Einzelteilen. Die vielen Aluminiumteile wurden durch lediglich 16 3D-gedruckte Polymerkomponenten ersetzt. Das verringerte das Gewicht, das Beschaffungsrisiko und den Montageaufwand immens. Insgesamt sanken die Kosten der Baugruppe um 57 Prozent.

Beim IceSat-2 vom Goddard Space Flight Center der Nasa – der sich aktuell im Orbit befindet – sollte eine Halterung für Glasfaserkabel per 3D-Druck gefertigt werden. Die Halterung benötigte die Eigenschaft der elektrostatischen Entladung (ESD). Statt Ultem wie bei den Rohrleitungen der Atlas V zu nutzen, entwickelte Stratasys ein maßgeschneidertes Material mit passendem ESD-Verhalten basierend auf Polyetherketonketon (PEKK). Dieses Material ist heute als Antero 840CN03 in der Raumfahrtindustrie etabliert. Ursprünglich ging es bei Goddard nur um zwei Halterungen. Kurz nach dem Projekt bei Nasa Goddard, kam eine ähnliche Anforderung von Nasa Johnson. Dies führte dazu, dass Lockheed Martin Antero für das Orion-Raumfahrzeug der Nasa anpasste. Inzwischen nutzt Orion nicht mehr nur ein paar sondern Hunderte dieser Bauteile.

Auch der Satellitenhersteller Maxar nutzt additive Fertigung. Während eines Webinars sagte Gina Ghiglieri von Maxar, dass das Unternehmen nach dem ersten Flug mit 3D-gedruckten FDM-Bauteilen 2016 seit vergangenem Jahr jeden Satelliten mit etwa 1.000 gedruckten Bauteilen ausstattet.

Zukunft der Raumfahrt: Die Grenzen verschieben sich

Egal, ob Segelschiffe, die im 16. Jahrhundert den Atlantik überquerten oder Eisenbahnen im Westen der USA im 19. Jahrhundert: Jede Erweiterung von Grenzen im Transport ergeben neue Chancen. Für die Zukunft der Raumfahrt gilt das Gleiche. Wir werden in den kommenden Jahren zum Mond zurückkehren und zum Mars fliegen. Wenn wir an diese neuen Grenzen stoßen, benötigen wir grundlegend andere Lieferketten als die, die wir bisher kannten. Während Wälder nötig waren, um die Schiffsflotten des 16. Jahrhunderts zu fertigen, sind es heute neue Werkstoffe wie PEKK und additive Fertigung zu deren Verarbeitung. Auf der Internationalen Raumstation beispielsweise gibt es bereits einen 3D-Drucker und während wir die Starts von Virgin Galactic, Blue Origin und SpaceX verfolgen, treiben Luft- und Raumfahrtunternehmen den 3D-Druck hinter den Kulissen weiter voran.

Der Autor Foster Ferguson ist Director Aerospace bei Stratasy.

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