Bild des Monats: 3D-Druck im Weltraum Institut für Raumfahrtsysteme untersucht Druckstrategien mit Satelliten

Bei dem Bild des Monats November handelt es sich um eine Makroaufnahme eines mit endlos langen Kohlenstofffasern verstärkten Strangs eines gedruckten Kunststoffs. Dieses wurde mittels eines 3D-Druckers erstellt, der die Vermischung und Herstellung von thermoplastischen Material mit endlosen Kohlenstofffasern ermöglicht. Das Ziel der Probe war es, einen Eindruck von der Imprägnierung der Fasern zu erhalten, also wie gut das während des Druckprozesses verflüssigte Polymer in die Fasern eindringen konnte. Die Probe wird anschließend geknickt, um die Vermischung der Materialien und damit die Stabilität beurteilen zu können.

Makroaufnahme eines mit endlos langen Kohlenstofffasern verstärkten Strangs eines gedruckten Kunststoffs. Bildnachweis: Niklas Kyriazis/IRAS

Das Bild wurde im Rahmen der Arbeit der Junior Research Group „In-Space Manufacturing“ aufgenommen. Die Gruppe forscht an Fertigungstechnologien für den Einsatz im Weltraum. Das Ziel ist, zukünftig Strukturen oder sogar ganze Raumfahrzeuge und -stationen im Weltraum zu fertigen, um nicht mehr an die Massen- und Größenbeschränkung der Trägerraketen gebunden zu sein und aufgrund der wegfallenden hohen Startbelastung Masse einsparen zu können.

Als Fertigungsmethoden kommen vor allem additive Fertigungsmethoden in Frage – wie der klassische, weit verbreitete 3D-Druck mit thermoplastischem Material. Diese Technologie muss an die Bedingungen im Weltraum angepasst werden. Dabei werden in der Gruppe zwei Fragestellungen untersucht: zum einen der Druckprozess mit Hochtemperaturthermoplasten im Vakuum und zum anderen Druckstrategien auf frei bewegenden Satelliten als Träger des Druckers.

Für letzteres wird das Filament Polylactic Acid (PLA) als Druckmaterial verwendet, da es hier nicht um die Untersuchung der Materialeigenschaften geht, sondern um die Validierung des Druckprozesses und PLA weitaus günstiger ist als die Hochtemperaturthermoplasten. Da angestrebt wird, tragende Strukturen für den Weltraum zu fertigen, ist es relevant, dass diese eine ausreichend hohe Festigkeit haben. Daher wurde in einem Projekt untersucht, Kohlenstofffasern in den Prozess einzubringen. Es gibt verschiedene Arten, wie in einem 3D-Druckprozess Kohlenstofffasern verwendet werden können. Als kleingeschnittene kurze Fasern, die dem thermoplastischen Filament beigemischt werden, und als endlos lange Fasern. Beides wird normalerweise als vorgemischtes Filament verwendet. Die endlosen Fasern sind in der Regel stabiler als die kurzen Fasern, aber auch schwieriger zu verarbeiten. Beide Filamentarten haben den Nachteil, dass sie mit thermoplastischem Material vorgemischt im Handel besorgt werden müssen und die Materialkombinationen auf dem Markt enorm beschränkt sind.

Daher wurde der klassische 3D-Druckprozess so modifiziert, dass während des Druckens endlos Kohlenstofffaser in den Heizblock des Druckkopfes gezogen wird, wo er sich mit dem thermoplastischen Material vermischt und gemeinsam (co-)extrudiert wird.

Der extrudierte Strang ist dabei umso stabiler, je besser sich die Kohlenstofffasern mit dem PLA vermischen. In dem Bild sind nach dem aufbrechen des gedruckten Strangs sehr viele „trockene“ Fasern zu sehen, was darauf hindeutet, dass die Vermischung bei dieser Probe nicht optimal funktioniert hat.