Das Experiment

Was es schon gibt

Stand der Dinge

Additive Fertigung auf der Erde

Wie unser Teamname schon vermuten lässt, spielt die additive Fertigung im Weltraum in unserem Experiment eine tragende Rolle. Bei dieser Art von generativer Fertigung werden Bauteile aus Kunststoff oder Metall durch gezieltes Hinzufügen von Rohmaterial mit lokaler Aushärtung erzeugt. Zu den gebräuchlicheren Verfahren in der Industrie gehören das Selective Laser Sintering (SLS) oder die Stereolithografie. In Kleinserien oder im privaten Gebrauch ist die sogenannte Fused Filament Fabrication (FFF) bekannt. Dabei wird ein Kunststofffilament in einem beweglichen Druckkopf aufgeschmolzen und anschließend schichtweise auf das Bauteil aufgebracht.

Die oben genannten Fertigungsmethoden verbinden das Rohmaterial mit dem Bauteil mit Hilfe von thermischer Energie, entweder durch direktes Heizen oder über gerichtete Laser. Für die additive Fertigung auf der Erde, mit unkompliziertem und fast unerschöpflichem Zugang zu Energie sind diese Verfahren erprobt und zuverlässig.

Foto: ESA
Additive Fertigung unter Weltraumbedingungen

Die Bedingungen des Weltalls lassen diese gebräuchlichen Verfahren allerdings nicht ohne weiteres zu. Zum einen ist die Produktion von elektrischer Energie in Raumfahrzeugen beschränkt, insbesondere auf kleineren Weltraumfahrzeugen wie Satelliten. Die für den Schmelzvorgang notwendigen Energiemengen sind damit nur schwer zur Verfügung zu stellen. In unserem Fall handelt es sich um ein geschlossenes Experiment innerhalb der REXUS-Rakete, das darüber hinaus auch in einer Zeit von nur wenigen Minuten abläuft. Strom wird von der Rakete selbst bereitgestellt, für das Schmelzen von Kunststoff reicht deren elektrische Leistung allerdings nicht aus.

Zum anderen ist die passive Abfuhr der beim Aufschmelzen notwendigen Wärme im Vakuum aufgrund der fehlenden Atmosphäre nicht möglich. Das Experiment aktiv zu kühlen verbraucht wiederum Energie und erhöht die Komplexität des Aufbaus.

Aus diesen Gründen haben wir uns für die Extrusion eines photoreaktiven Polymers, auch Kunstharz genannt, entschieden. Diese Art von Kunststoff härtet unter der Einwirkung von UV-Licht aus. Dabei ist nicht nur der Verbrauch an elektrischer Energie überschaubar, auch die Wärmeentwicklung beim Aushärtvorgang ist begrenzt.

Experimentablauf

Bei der REXUS-Rakete handelt es sich um eine einstufige Höhenforschungsrakete von 5,6 m Länge und 36 cm Durchmesser. Die Rakete kann bis zu 40 kg an Experimenten in eine Höhe von 90 km befördern, die Experimentzeit unter Weltraumbedingungen beträgt ungefähr drei Minuten.

Um genug zeitlichen Spielraum zu haben, beschränken wir uns auf eine Experimentzeit von 60 Sekunden. In dieser Zeit wird das Polymer aus mehreren Behältern extrudiert und sofort nach der Extrusion mit UV-Licht in Form von Stäben ausgehärtet. Die fertigen Stäbe werden anschließend gekapselt, um den Wiedereintritt der Rakete und die Landung auf der Erde möglichst unbeschadet zu überstehen.

Unsere Ziele

Missionsleitlinie & -ziele

Das Experiment dient dem Nachweis eines stabilen Fertigungsprozesses für Stäbe aus photoreaktivem Polymer unter Weltraumbedingungen. Dazu werden im Vorfeld Simulationen des Prozesses erstellt und diese anschließend durch Überwachung des Experimentablaufes mit Sensoren und Kameras verifiziert. Außerdem werden die gefertigten Stäbe werden nach Abschluss des REXUS-Fluges auf Ihre Materialeigenschaften untersucht.

Primärziele

  • – Entwicklung einer Anlage zur Extrusion von flüssigem Polymer
  • – Entwicklung einer Anlage zur Aushärtung von photoreaktivem Polymer unter UV-Licht
  • – Erfolgreiches Bestehen des Verifikationsprozesses der am REXUS/BEXUS-Programm beteiligten Organisationen
  • – Extrusion von mehreren Polymerstäben in Schwerelosigkeit und Vakuum
  • – Aushärtung von mehreren Polymerstäben in Schwerelosigkeit und Vakuum

Sekundärziele

  • – Überwachung und Aufzeichung des Extrusions- und Aushärtvorgangs mit Sensoren und Videokameras
  • – Schutz der ausgehärteten Polymerstäbe beim Wiedereintritt und Aufprall der REXUS-Rakete
  • – Vergleich von im Flug erlangten Prozessdaten und im Vorfeld erstellten Prozesssimulationen
  • – Materialwissenschaftliche Analyse der extrudierten und ausgehärteten Polymerstäbe
Wie es ausieht

Unser Design

Das REXUS/BEXUS-Programm stellt uns die Forschungsplattform, finanzielle Unterstützung und beratend wirkende Experten zur Seite. Unser Experiment mit all seinen Systemen und Komponenten entwickeln wir aber selbst. Dazu gehört zum einen der mechanische Aufbau, der die Verbindung mit der Rakete und gleichzeitig die Aufnahme für das Extrusions- und Aushärtsystem darstellt. Daneben brauchen wir ein elektrisches System, das nicht nur die vom REXUS-Servicemodul bereitgestellte elektrische Energie verteilt, sondern auch in der Lage ist, die Extrusion und Aushärtung durchzuführen sowie Sensordaten und Videomaterial zu sammeln und weiterzuverarbeiten.
Dazu gehört auch eine Software, die die Steuerung dieser Aufgaben übernimmt und das in der richtigen Reihenfolge und zum richtigen Zeitpunkt.

Diese verschiedenen Systeme dienen dazu, die Extrusion und Aushärtung, also den Kern unseres Experiments, zu ermöglichen, aufzuzeichnen und sicher zu gestalten. Gleichzeitig müssen wir auch sicherstellen, dass wir eine Polymer-LED-Kombination finden, die unter den gewünschten Bedingungen sicher und effizient funktioniert.

Die Animation zeigt vereinfacht den Versuchsaufbau und -ablauf. Das Polymer ist in flüssiger Form in den Polymerbehältern enthalten, die fest mit dem Tisch verbunden sind. Die Behälter sind so gestaltet, dass sie mit den durchsichtigen Acryl-Behältern dicht abschließen.

Beim Start des Versuchs bewegt ein Motor den Tisch und damit die Polymerbehälter nach oben. Durch fest installierte Stempel wird das flüssige Polymer aus dem Behälter an den UV-LEDs vorbeigedrückt und erstarrt durch die Bestrahlung an Ort und Stelle. Durch die kontinuierliche Extrusion entsteht eine Säule aus ausgehärtetem Polymer.

Am Ende der Extrusion bleibt der Tisch stehen und wird fixiert, sodass die Polymerbehälter zusammen mit den Acryl-Behältern eine Art Gehäuse um die fertigen Stäbe bilden, sodass diese beim Wiedereintritt der Rakete geschützt sind.

Mechanischer Aufbau

Wie bereits angesprochen, ist unser Bauraum innerhalb der Rakete begrenzt. Unser Experimentmodul hat einen Durchmesser von 36 cm und eine höhe von ca. 20 cm. An der Unterseite des Moduls ist unser Experiment über eine Platte mit der Rakete fest verbunden, ein Kabelschacht auf der Rückseite des Moduls stellt die nötige Strom- und Datenversorgung bereit.

Die nebenstehende Grafik zeigt die erste Version unseres Versuchs. Zu sehen sind die Oberseite des Versuchsaufbaus mit E-Motor. Darunter befindet sich, von drei Stangen geführt, der bewegliche Tisch. Ursprünglich wollten wir, wie hier zu sehen, sechs Polymerstäbe gleichzeitig extrudieren und aushärten. Die Acrylbehälter, die jeden Polymerstab umschließen, sind kreisförmig angeordnet und auf der Zeichnung zu sehen.
Außerdem ist unser Experimentmodul der Rakete transparent um das Modell herum dargestellt. Dieses mit einem CAD-Programm erstellte 3D-Modell unseres Versuchs dient zum einen als Interferenztest und soll zeigen, ob wir im Experimentmodul alles unterbringen können, was wir brauchen. Und zum anderen dienen die CAD-Daten später als Grundlage für die Fertigungszeichnungen unserer Bauteile.

Nach dem Preliminary Design Review (PDR) und einer ausführlichen Besprechung mit den Experten des ZARM und der ESA haben wir aus Energiespargründen die Anzahl der Stäbe auf vier reduziert. Außerdem wurde der Motor von der Oberseite des Aufbaus auf die Unterseite verlagert sowie ein Schnellwechselsystem eingebaut.
Damit wollen wir in der Lage sein, die Polymerbehälter schnell und sauber aus dem Experimentmodul zu entfernen, um sie beispielsweise zu reinigen und neu zu laden. Diese Zeitersparnis kommt uns hoffentlich bei den ausführlichen Versuchen und Testläufen im Herbst und Winter sowie bei der Launchcampaign zugute.

Die Animation zeigt ein 3D-gedrucktes Modell der zweiten Version im Maßstab 1:2, ausgestatte mit durchsichtigen Acrylbehältern und einem elektrischen Antrieb. Das Modell hilft uns, die Ausmaße und Verhältnisse des mechanischen Aufbaus besser zu verstehen und bietet die Möglichkeit, die ersten Versionen der Motorsteuerung zu testen. Die Motorsteuerung auf einem Breadboard ist im Hintergrund zu sehen.

Außerdem erweist es uns als Anschauungsmaterial den wunderbaren Dienst, unseren Versuch besser erklären zu können.

Elektrischer Aufbau

Wenn der mechanische Aufbau das Skelett des Experiments ist, dann sind die elektrischen Komponenten die Muskeln. Das elektrische System hat die Aufgabe, die Stromversorgung des Antriebs des Tisches, der UV-LEDs und der Sensorik und Kameras zu gewährleisten. Bereit gestellt werden die ca. 60 Watt elektrischer Leistung von den Batterien des Servicemoduls der REXUS-Rakete in der physischen Form eines Steckers. Wir stellen das Gegenstück dazu bereit und designen die Schalthardware in Form von Leiterplatten. Um zu wissen, wie diese Platinen auszusehen haben und welche Komponenten wir dort verbauen müssen, kann das Design auf einem sogenannten Breadboard skizziert werden. Dabei handelt es sich um eine Platte mit einer Reihe von Steckplätzen, die leitende Verbindungen darstellen. So kann vor dem ersten Lötpunkt festgelegt werden, was wohin soll und wie die Teile miteinander in Verbindung stehen.

Das nebenstehende Bild zeigt so ein Breadboard mit einer Schaltung zum Betrieb von farbigen LEDs. Auf dem unteren Bild ist die etwas aufwendigere Steuerung eines Elektromotors zu sehen.

Zu den Herausforderungen des elektrischen Designs gehört die Abschirmung aller elektrischen Hardwarekomponenten. Da jeder durchflossene elektrische Leiter ein elektromagnetisches Feld erzeugt, welches die Elektrik anderer Experimente oder, im schlimmsten Fall, der Rakete stören kann. Um das zu verhindern müssen wir unsere Hardware vollständig elektrisch abschirmen, was beispielsweise in Form eines metallischen Gehäuses erfolgen kann.

Die elektrische Hardware stellt allerdings nur einen Teil der Steuerung dar. Genauso muss die Software entwickelt werden, die auf den von uns verbauten Prozessoren läuft. Wir arbeiten mit einem Nucleo Board, ähnlich einem Raspberry Pi oder Arduino, auf dem die Software zur Steuerung des Motors, der LEDs sowie zur Datensammlung und Speicherung laufen wird.

Der Versuch wird ab dem Start des Countdowns vollkommen autonom arbeiten und mit Hilfe von vorgegebenen Zeitstempeln das Experiment während des Fluges ablaufen lassen.

Polymer- und LED-Design

Den Kern unseres Experiments stellen die Extrusion und anschließende Aushärtung eines photoreaktiven Polymers dar. Zu Beginn des Projekts stellten wir uns natürlich die Frage, wo denn der Unterschied zwischen der Extrusion eines Epoxidharzes auf der Erde und unter Weltraumbedingungen liegt.

Durch Simulationen des Extrusionsvorgangs konnten wir zeigen, dass die Extrusion in der Schwerelosigkeit stabiler verläuft, als unter dem Einfluss der Gravitation. Ein wichtiger Faktor dabei ist die Ausbildung einer Kapillarbrücke zwischen dem noch flüssigen Polymer und dem Extrusionsbehälter. Auf den nachfolgenden Bildern sind simulierte Extrusionen unter verschiedenen Bedingungen dargestellt. Dabei zeigt die Simulation unter Gravitationseinwirkung eine Einschnürung in der Nähe des Polymerbehälters, die sogenannte Kapillarbrücke. Diese Verjüngung des Materials sorgt für einen ungleichmäßigen Materialaufbau und kann in Schwerelosigkeit vollständig vermieden werden.

Simulation des Extrusionsvorganges unter Erdbedingungen. Die Extrusion bewegt sich nach oben, die Erdanziehung wirkt mit 1g nach unten.
Simulation des Extrusionsvorganges unter Erdbedingungen. Die Extrusion und Erdanziehung (1g) sind nach unten gerichtet.
Simulation des Extrusionsvorganges unter Weltraumbedingungen. Die Extrusion bewegt sich nach oben, die Erdanziehung hat einen Wert von 0g.

Die Simulation unter Gravitation mit Extrusion in Richtung der Erdanziehung wurde erstellt, um zu zeigen, dass ein einfaches Umdrehen des Druckkopfes den Anforderungen an eine saubere Extrusion nicht gerecht wird.

Die Extrusionssimulation dient auch der Feststellung der optimalen Versuchsparameter, wie Verfahrgeschwindigkeit und -beschleunigung sowie Säulendurchmesser.

Die Aushärtung des Polymers erfolgt durch kationische Polymerisation, angeregt durch Bestrahlung mit UV-Licht. Die Reaktion verläuft ähnlich der Polymerisation von Zwei-Komponenten-Epoxidharzen, ohne dass allerdings ein zweiter Reaktionspartner hinzufügen werden müsste.

Die Aushärtung wird dabei von verschiedenen Parametern beeinflusst. Dazu zählen Umgebungswerte wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit und Prozesswerte wie Bestrahlungsdauer, -intensität und -wellenlänge. Vor allem aber hat die Zusammensetzung des Harzes selbst einen großen Einfluss auf die Aushärtung und die Materialeigenschaften des festen Polymers. Wir stehen daher in regem Austausch mit unseren Polymerlieferanten, um die optimale Zusammensetzung unseres Harzes und das dazu passende UV-Wellenspektrum zu finden.

Neben den Extrusions- und Aushärteigenschaften muss das Polymer im Vorfeld des Fluges auch auf sein Verhalten im Vakuum untersucht werden. Beim Übergang von Atmosphäre zu Vakuum können sich Lufteinschlüsse explosionsartig ausdehnen oder wichtige Bestandteile des Polymers ausgasen. Solches Verhalten ist durch Versuche auszuschließen.

Die Bestrahlung erfolgt mit LEDs, die Ultraviolettes Licht im Wellenspektrum von 330 bis 380 nm aussenden. Nach unserem aktuellen Design bietet jeder Polymerbehälter an der Unterseite Platz für vier UV-LEDs, die alle auf das extrudierte Polymer in der Mitte gerichtet sind. Die Strahlungsleistung und optimale Wellenlänge werden von uns im Versuch festgelegt und bestimmen wiederum maßgeblich den elektrischen Aufbau des Experiments.

Wo das hinführen könnte

Ausblick

Ideen für "AIMIS 2.0"

Weiterentwicklung des Druckkopfs:

Extrusion und Aushärtung sind beim aktuellen Stand des Projektes sehr einfach gehalten, um eine hohe Erfolgswahrscheinlichkeit zu gewährleisten. Für eine zukünftige Iteration des Projekts könnte der Druckkopf so weiterentwickelt werden, dass er in alle drei Raumrichtungen bewegt werden kann sowie eine kontinuierliche Förderung des Polymers ermöglicht. Damit würde der Prozess ähnlich dem klassischen Filamentdrucks möglich werden. Parallel zu unserem Projekt arbeiten Studierende der Hochschule München bereits an solch einem Druckkopf zum Einsatz auf der Erde.

Weiterentwicklung des Druckprodukts:

Ein weiterer Möglicher Schritt ist die Variation von Parametern des Druckprodukts. Dabei könnten beispielsweise Durchmesser, Querschnittsform und Extrusionslänge des Druckprodukts verändert werden. Außerdem sind komplexere 3-dimensionale Fachwerkstrukturen, beispielsweise durch den Einsatz von multiplen Extrudern und globaler Aushärtung, denkbar.

Truss girder

Jenseits unseres studentischen Projekts

Neben der Hochschule München arbeiten noch weitere Institute an Technologien zu neuartiger additiver Fertigung und der Fertigung von Strukturen im Weltraum

Das Fraunhofer IPA hat beispielsweise den 3D Fibre Printer entwickelt, der Faserverstärkte Kunststoffe mit einem 6-achsigen Roboter frei im Raum aufbauen kann. Durch diese „Free Space Fabrication“ wird es möglich sein, Fasern optimal entsprechend der Kraftflüsse im Werkstück zu platzieren.

Eine Pressemitteilung des Institutes zu diesem Thema findet sich hier: www.ipa.fraunhofer.de/de/3D-fibre-printer

 

Auf der anderen Seite des Atlantiks wird an der Fertigung von Bauteilen im Orbit gearbeitet:

Foto: NASA
NASA

Die NASA entwickelt seit einigen Jahren das sogenannte SpiderFab. Dabei handelt es sich um ein kleines Raumfahrzeug, das im Weltraum durch kontinuierliche Förderung und Aushärtung von Kunststoffen 3-dimensionale Strukturen von gigantischen Ausmaßen herstellen soll. Das Projekt ist in verschiedene Phasen unterteilt und soll in den nächsten Jahren im Orbit getestet werden.

Leider stehen uns weder der Projektfortschritt noch die Erkenntnisse aus dem Entwicklungsprozess zur Verfügung, weswegen die NASA-Forschung auf uns kaum Einfluss hat.

Die ganze Geschichte gibt’s unter: www.nasa.gov/spiderfab

MadeInSpace

Auch der private Sektor in den USA hat das Potenzial von Bauteilfertigung im All erkannt. Die Firma MadeInSpace entwickelt mit dem Archinaut: Ulisses eine Art fliegenden 3D-Drucker mit Roboterarmen, der im Orbit verschiedenste Bauteile drucken und vor Ort zusammenbauen kann. Dadurch sollen beliebig große und komplexe Strukturen dort entstehen, wo sie gebraucht werden, nämlich im Orbit.

Die Webseite der Firma findest du hier: www.madeinspace.us/archinaut

Und zu guter Letzt zeigt dir der Channel SecondThought hier, warum wir überhaupt Möglichkeiten brauchen, um im All größere Strukturen herstellen zu können. Der Weltraum könnte uns die Produktionsumgebung der Zukunft liefern:

By clicking on "accept" you agree to the use of cookies. Otherwise some content on this website may not be displayed or work as desired. Consent can be revoked in the imprint oder privacy policy. More information

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close