04122021Mo
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Kostenreduzierung in der Raumfahrt durch additive Fertigung

Raumfahrzeuge werden auf der Erde entwickelt, getestet, fertig zusammengebaut und in einem Stück mit einer Trägerrakete an ihren jeweiligen Einsatzort transportiert. Jede Komponente muss dafür so ausgelegt sein, dass sie den hohen Belastungen der Startphase standhält.

In den meisten Fällen führt dies neben komplexen Testverfahren zu einer überdimensionierten Struktur der Raumfahrzeugkomponenten, denn sie erfahren im Orbit nur einen Bruchteil der Belastungen, die sie während des Raketenstarts aushalten müssen. Die für den Transport mit der Trägerrakete erforderliche maximale Abflugmasse und das Volumen, beispielsweise von Satelliten, verursachen dadurch hohe Raumtransportkosten. Gleichzeitig ist der Platz in der Rakete begrenzt, was die Konzeption der Raumfahrzeuge von vorneherein limitiert. Gesucht sind Verfahren, die die Möglichkeiten zukünftiger Raumfahrtmission erweitern, Ressourcen sparen und Kosten senken.

Ein möglicher Ansatz ist die Herstellung von Raumfahrzeugkomponenten direkt im Orbit mittels generativer Fertigung. Generative Technologien ermöglichen eine effiziente und agile Produktion von Komponenten vor Ort. Das Team AIMIS-FYT der Hochschule München entwickelt und erforscht hierfür ein additives Fertigungsverfahren, bei dem die Produktion von Strukturen in der Schwerelosigkeit erfolgt. Die für die Raumfahrt notwendigen Elemente müssen nicht den hohen Startanforderungen entsprechen, sondern können genau auf die Missionsanforderungen zugeschnitten werden. Erforscht wird das Verfahren auf Parabelflügen in der Schwerelosigkeit - unterstützt von einer uEye CP-Industriekamera von IDS.

Für dieses additive Fertigungsverfahren, auch „In-Situ Manufacturing“ (lateinisch in situ ‚am Ort') genannt, entwickelte das Team einen 3D-Drucker mit einem Extruder, durch den ein flüssiges Photopolymer dosiert werden kann. "Unser 3D-Druckverfahren kann mit Hilfe eines UV-härtenden Klebstoffes bzw. einer Vergussmasse direkt dreidimensionale Strukturen in den Weltraum drucken", erklärt Torben Schaefer, Pressesprecher des AIMIS-FYT Teams, die Besonderheit dieser Technologie. Anstatt die Komponenten Schicht für Schicht zu erzeugen, wie dies bei herkömmlichen 3D-Druckern der Fall ist, werden sie direkt durch die dreidimensionale Bewegung des Druckkopfes erzeugt.

Durch die Anwendung von UV-Licht wird das Harz in der Schwerelosigkeit frei in den Raum extrudiert und härtet innerhalb kurzer Zeit aus. In Kombination mit der Schwerelosigkeit ermöglicht dies eine Fertigung ohne Formbeschränkungen, die normalerweise durch die Gravitation auf der Erde bestehen. Typische Formbeschränkungen sind z.B. lange Überhänge, die auf der Erde nicht möglich sind oder nur mit aufwendigen Stützstrukturen gefertigt werden können. In der Schwerelosigkeit lassen sich sogar Bauteile ohne einen fixen Ankerpunkt wie z.B. eine Druckplatte erstellen.

Mit diesem Produktionsverfahren werden die unterschiedlichsten Konstruktionen ermöglicht, wie gedruckte Strukturen für Solarpaneele oder Antennen. Denkbar ist beispielsweise die Fertigung von Spiegeln für Parabolantennen oder die Herstellung von Fachwerkstrukturen für die Befestigung von Solargeneratoren. Das dürfte besonders für Hersteller und Vertreiber von Klein- bis Kleinst-Satelliten oder gar ganzer Satellitenkonstellationen interessant sein, die damit sowohl ihre Stückkosten, als auch die Startkosten für den Transport ihrer Systeme in die Umlaufbahn verringern können.

Darüber hinaus spart die reduzierte Masse des im Orbit zusammengebauten Raumfahrzeugs Ressourcen und kann die Lebensdauer einer Mission erhöhen, indem stattdessen mehr Treibstoff mit an Bord genommen wird. „Bei Satelliten ist meistens der Treibstoff der limitierende Faktor, er reicht derzeit in der Regel für rund 15 Jahre“, erläutert Torben Schaefer.
Anwendung

Der wichtigste Prozess des Fertigungsverfahrens ist der Druckvorgang an sich. Dieser setzt sich im Wesentlichen aus 3 Hauptphasen zusammen:

Extrusion des Harzes mit Hilfe des Extruders
Austritt des Harzes aus der Düse im zähflüssigem Zustand unter Schwerelosigkeit
Aushärtung des Harzes durch die UV LEDs.

Getestet wird der Druck von geraden Stäben, Verbindungen von Stäben und die Erzeugung von Freiformstäben. Mal wird eine konventionelle Druckplatte als Ausgangspunkt für den Druck verwendet, ein anderes Mal wird das Verhalten von druckenden, freischwebenden Stäben untersucht.

Die Hauptparameter des Druckprozesses sind die Extrusions-Geschwindigkeit des Harzes, die UV-Lichtintensität, die UV-Lichtzeit und die Trajektorie, d.h. der Bewegungspfad des Druckers. "Bei unserem Druckprozess ist eine präzise, druckstabile und konstante Förderung des Mediums wichtig. Gleichzeitig sollten die Parameter während des gesamten Vorgangs konstant gehalten werden", erklärt Torben Schaefer.

Die von IDS gesponserte USB 3 Kamera hat den Prozess genau im Blick: Sie beobachtet in Nahaufnahme die Düse des Druckers und bewegt sich immer relativ dazu. So folgt die Kamera der Düse mit jeder Bewegung und hat diese stets genau im Fokus. Der Bildausschnitt wird dafür so eingestellt, dass die Entstehung der Stäbe rund 4,5 cm unterhalb der Düse aufgenommen wird. "Die IDS Kamera liefert hiermit sehr wichtige Ergebnisse für den Austritt des Harzes und dessen Aushärtung. Die zur Aushärtung nötigen UV-LEDs erzeugen eine starke Überbelichtung, damit herrschen schwierige Lichtverhältnisse. Kein Problem für die U3-3260CP aus dem IDS-Portfolio: mit dem kostengünstigen 2,30 MPixel Sony Sensor IMX249 (1920 x 1200 px) setzt sie besonders hohe Maßstäbe in punkto Lichtempfindlichkeit und Dynamikumfang. Damit ist der Global-Shutter CMOS-Sensor mit seinen 5,86 µm großen Pixeln für Anwendungen wie diese prädestiniert, die ein perfektes Ergebnis selbst bei schwierigen Lichtverhältnissen liefern sollen - in diesem Fall bei starker Helligkeit durch Überbelichtung.

Um das Austrittsverhalten aus der Düse in der Schwerelosigkeit weiter analysieren zu können, wird der Prozess in verlangsamter Geschwindigkeit durchgeführt. Die Kontur des Stabes muss dabei genau erfasst werden. "Hierfür sind die hohe Framerate und Auflösung der Kamera entscheidend für eine qualitativ hochwertige Auswertung", erklärt Torben Schaefer aus dem AIMIS-Team. Mit einer Framerate von 47,0 fps sorgt die IDS-Kamera für eine ausgezeichnete Bildqualität und ist extrem rauscharm - perfekte Voraussetzungen für ihre Aufgabe im All. Doch auch die einfache Integration der Kamera hat das Forscherteam überzeugt.
Software

Wir konnten die Kamera mit Hilfe des IDS SDK nahtlos in unser Monitoring System auf C++ Basis integrieren.
— Torben Schäfer, Pressesprecher des AIMIS-FYT Teams —

Hier laufen seinen Angaben zufolge alle Daten aus den Sensoren zusammen und geben einen umfassenden Überblick über den aktuellen Zustand des Druckers und der einzelnen Druckparameter. "Wir können so mit einem Klick die Aufnahme der IDS Kamera und alle anderen Messungen starten und stoppen. Da auf einem Parabelflug immer nur zwanzig Sekunden Schwerelosigkeit herrscht und zwischen zwei Parabeln rund anderthalb Minuten Unterbrechung ist, speichern wir mit einem gezielten Starten und Stoppen von Messwerten beziehungsweise Aufnahmen nur die wichtigsten Informationen." Außerdem wird mit Hilfe der IDS-Software ein Live-Bild des Druckvorgangs auf dem Monitor angezeigt. "Diese Live-Übertragung erleichtert uns die Einrichtung und schnelle Analyse des Druckkopfes."

Ausblick

Die Erkenntnisse aus den Experimenten sollen dafür genutzt werden, den Druckprozess der vier 3D-Druck Grundoperationen (gerader Stab, gerader Stab mit Start- / Stoppunkten, Freiform Stab sowie Verbindungen zwischen Stäben) weiter zu optimieren und die primäre Funktionsfähigkeit der additiven Fertigung in der Schwerelosigkeit zu beweisen. Ziel ist, die Technologie im Weltraum zu erproben, denn sie bietet die Chance, die Kosten für Bauteile in der Raumfahrtechnik drastisch zu senken. „Mit dem Projekt AIMIS-FYT haben wir die Möglichkeit, die Zukunft der Raumfahrt aktiv mitzugestalten“, so Michael Kringer, Projektleiter des AIMIS-FYT-Teams.

Die leistungsstarke kleine IDS Kamera hat sich für künftige Missionen erfolgreich empfohlen - auf der Erde und im All.
www.ids-imaging.com

 

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