3D-Druck in der Schwerelosigkeit Studentische Initiative beteiligt an Experiment von DLR und ESA

Die ERIG e.V., also die „ExperimentalRaumfahrt-InteressenGemeinschaft“, ist eine studentische Initiative der TU Braunschweig. Neben dem Bau und Start von Experimentalraketen und Marsroverdemonstratoren beschäftigen sich die Studierenden derzeit mit der Entwicklung des Experiments CREATE, um die Möglichkeiten der Fertigung im Weltraum weiter auszuloten. Mit diesem Experiment nehmen die Studierenden an dem REXUS/BEXUS-Programm des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM), der nationalen schwedischen Raumfahrtagentur SNSA, der Swedish Space Corporation (SSC) und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) teil. Der Start der REXUS-Rakete wird im März 2024 stattfinden.

Teammitglieder von CREATE. Bildnachweis: ERIG e.V.

Das REXUS/BEXUS-Programm ermöglicht es Studierenden eine wissenschaftliche Nutzlast an Bord einer Höhenforschungsrakete ins Weltall zu transportieren. Während des Flugs befinden sich die vorbereiteten Experimente an Bord zeitweise in Mikrogravitation. Das ist für die Nachwuchsforschenden natürlich besonders interessant, denn so können sie den Einfluss der Gravitation auf bestimmte Prozesse untersuchen. In den vergangenen Jahren hat die ERIG e.V. bereits zweimal erfolgreich am REXUS/BEXUS-Programm teilgenommen.

Bei dem aktuellen REXUS-Experiment handelt es sich um CREATE. CREATE steht für „Carbon REinforced Additive manufacturing Technology Experiment“ und beschäftigt sich mit faserverstärktem 3D-Druck. Das Ziel des Experiments ist, den Einfluss der Gravitationskraft auf den Prozess des faserverstärkten 3D-Drucks zu untersuchen.

Verbesserte Materialeigenschaften

Bei fast allen 3D-Druck Verfahren wird ein Filament aufgeschmolzen und anschließend an einer definierten Stelle durch eine Düse extrudiert. Bei faserverstärktem 3D-Druck wird das aufgeschmolzene Filament zusätzlich mit Kohlefasern versetzt, sodass ein Verbundwerkstoff (Komposit) aus Kohlefaser und Kunststoff entsteht Dies verbessert die Materialeigenschaften – vor allem die Festigkeit – des gedruckten Kunststoffs und ermöglicht einen facettenreicheren Einsatz von 3D-gedruckten Produkten. Darüber hinaus eignet sich diese Methode aufgrund der höheren Flexibilität, der Ressourceneffizienz und des kompakten Fertigungsaufbaus optimal für die Anwendung im Weltraum.

Aktueller Prototyp des Experiments CREATE. Bildnachweis: ERIG e.V.

Das Problem: Bildung von Hohlräumen

Allerdings entstehen bei dem gemeinsamen Extrudieren von Kohlefasern und Filament Hohlräume an der Faser-Matrix-Grenzfläche (sog. Voids). Diese wirken sich negativ auf die Materialeigenschaften des Komposits aus. Um die Verbundwerkstoff-Fertigungstechnologien zu verbessern, ist es nötig den Prozess des faserverstärkten 3D-Drucks und im Besonderen die Bildung der Voids besser zu verstehen.

Geschmolzener thermoplastischer Kunststoff verhält sich wie eine nicht-newtonsche Flüssigkeit, die unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen eine Veränderung der Benetzbarkeit aufweist. In der Schwerelosigkeit könnte die Umschließung der Kohlefasern somit gleichmäßiger ausfallen und damit die Materialeigenschaften, wie Festigkeit, Steifigkeit und elektrische Leitfähigkeit, des produzierten Verbundwerkstoffs verbessern. Um dies genauer zu untersuchen, soll mit dem Experiment CREATE faserverstärktes Komposit an Bord einer REXUS-Rakete in Mikrogravitation gedruckt werden. Außerdem sollen mit dem gleichen Aufbau Kompositproben auf der Erde bei Erdbeschleunigung hergestellt werden. Die verschiedenen Kompositproben werden dann im Hinblick auf ihre Materialeigenschaften untersucht und verglichen.

Schemazeichnung des Funktionsprinzips von CREATE: Der Kunststoff wird im Hotend (6) aufgeschmolzen und mit der Kohlefaser (5) zusammengeführt. Anschließend wird der Verbundwerkstoff (Komposit, 10) gedruckt, abgekühlt und aufgespult. Bildnachweis: ERIG e.V.

CREATE trägt damit dazu bei, den Weg für die Fertigung im Weltraum zu ebnen, indem wichtige Grundlagenforschung auf dem relativ neuen Gebiet der faserverstärkten additiven Fertigung betrieben wird. Wichtige Aspekte wie die Auswirkung der Schwerkraft auf die Festigkeit des Verbundwerkstoffs, die Dichte, die Benetzung der Fasern, die Hohlräume zwischen Filament und Fasern usw. können durch das Experiment effizient bewertet und beurteilt werden.