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Wie profitiert Raumfahrt vom 3D Druck?

Brian Crotty | 17.01.2017 | 6 min read

3D-Drucktechnologie wird mehr und mehr zu einem wesentlichen Bestandteil, um den Traum vom Reisen im Weltall ermöglichen zu können. In den letzten Jahren konnten wir feststellen, wie der private Sektor diese Industrie für sich erschlossen hat. Sie nutzen den 3D-Druck, um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu steigern, mit Kleinserienfertigungen für die iterative Entwicklung ihrer neuen Raumfahrzeuge. So können sie zuverlässige, verwendbare Prototypen bauen, durch die wiederum die Funktionalität optimiert wird, während eine komplett neue Klasse effizienter Fahrzeuge produziert wird.

Da die Kosten für den 3D-Druck immer geringer werden, ist der Einsatz bei Komponenten für Raumschiffe immer häufiger. Heute schauen wir uns drei private Firmen an, welche den 3D-Druck wirksam nutzen, um signifikante Verbesserungen bezüglich Gewicht, Motoreffizienz und schnell angepassten Design-Iterationen zu erwirken.

Microlattice

Boeing nutzt 3D-Strukturen, um das Gewicht von Metall zu revolutionieren

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Bild Quelle: HRL Laboratories

Als führender Flugzeughersteller hat Boeing  bereits seit mehreren Jahren mit 3D-Drucken experimentiert. Ende 2015, gemeinsam mit ihrer Tochtergesellschaft HRL Laboratories, gaben sie bekannt, eine weitaus effizientere Metallstruktur für den äußeren Aufbau von Raumschiffen und Motoren entwickelt zu haben. Gewicht ist Geld im Bereich der Luftfahrt und diese Entwicklung eröffnete ganz neue Perspektiven.

“Microlattice ist das leichteste Material, das je gemacht wurde. In 99,99 Prozent Luft ist es immer noch leicht genug, um auf der Spitze einer Pusteblume zu balancieren, während die Struktur es stark macht.”

3D-gedrucktes Microlattice ist inspiriert von der Struktur menschlicher Knochen, die sich durch eine offene Zellstruktur auszeichnen, welche sie außen weich und innen stark macht. Die äußere Kraft ist verteilt und durch die Gitterstruktur sind sie nur schwer zu zerbrechen, während sie trotzdem unglaublich leicht sind.

“Die einzigartige Zusammensetzung des Materials gibt ihm Eigenschaften wie keinem anderen Metall. Sein zellulärer Aufbau erlaubt, dass es sich von Druck erholen kann, der mit über 50 % Belastung und hoher Energie-Absorbierung einhergeht.” Boeing.

 


 Video Quelle: Boeing

Diese Struktur wird ihre erste Anwendung bei ihrer nächsten Weltraumrakete finden und es ist davon auszugehen, dass diese Art von komplexer struktureller Form eine Schlüsselkomponente für das zukünftige Design von Raumfahrzeugen, Flugzeugen, Blättern von Windturbinen und anderen gewichtsempfindlichen Bauteilen wird.

Ausgefeilte Raketentriebwerke

Aerojet Rocketdyne setzt neue effiziente Standards mit Hilfe von 3D-Formen

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Bild Quelle: Aerojet Rocketdyne

Aerojet steht immer noch an einsamer Spitze, wenn es um Leistungen von Raketen geht. Und sie sehen den 3D-Druck als Weg in die Zukunft an. Sie schlossen einen 6-Millionen-Dollar Vertrag mit der US Air Force ab, um Ende 2015 Standards für 3D-gedruckte Komponenten für Raketentriebwerke zu definieren.

Die aus Kalifornien stammende Firma für Raketen- und Flugkörperantrieb konnten sich auf ihre langjährige Erfahrung stützen, die sie in der Entwicklung von neuen Materialien und in der Herstellung von komplexen Motorkonstruktionen gesammelt hatte.

  • 2014 testete das Unternehmen erfolgreich einen komplett 3D-gedruckten Motor mit einer Schubkraft von 2268 kg.
  • 2015 nutze die Firma die additive Fertigung, um die Injektoren der Gasgeneratoren nachzubilden, wie sie im Raketenmotor der Apollo-era F-1 verbaut sind. Sie wollten beweisen, dass auch bereits existierend Designs 3D-gedruckt werden können, unter wettbewerbsfähigen Kosten und ohne Verlust von Qualität.
  • 2016 hat die US Air Force die Standards für 3D-gedruckte Raketentriebwerke akzeptiert.

Es spielt bei uns eine wichtige Rolle, dass unsere Produkte durch die Fortschritte, die wir in der additiven Fertigung gemacht haben, auf den neuesten Stand gebracht werden, um unseren Kunden erschwingliche Produkte zu liefern, während wir die von Aerojet erwartete Zuverlässigkeit aufrechterhalten.”

Eileen Drake, CEO und Presidänt von Aerojet Rocketdyne.

Aerojet Rocketdyne entwickelt ebenfalls ein Design für ein Flüssigraketentriebwerk, das AR1, um das ältere Modell aus Russland, das RD-180 zu ersetzen. Die Firma gibt an, dass es erheblich lukrativer sei, 3D-Drucktechnologie zu verwenden, da somit die Produktionszeit verkürzt wird und die Kosten gesenkt werden, die normalerweise mit der Herstellung von komplexen Bauteilen einhergehen.

Schnelle 3D-Prototypenentwicklung: Space X verbessert die Zuverlässigkeit von bemannter Raumfahrt

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Bild Quelle:  SpaceX, Dragon V2 Superdracos, fully 3D printed Rocket Engine.

Space X war eine der ersten Firmen, die sich ausschließlich der Weltraumforschung gewidmet haben. Sie integrieren flächendeckend den 3D-Druck in ihre Prozesse, um Raketen, Raketentriebwerke und Bauteile von Raumfahrzeugen zu entwickeln. Vor allem war Space X der erste kommerzielle Hersteller von Raumfahrzeugen, der eine Fracht zur Internationalen Raumstation geschickt und sicher wieder zurück geholt hat. Das Raumschiff namens Dragon war ursprünglich nicht nur für Frachten, sondern auch für die bemannte Raumfahrt konzipiert. Mit der neuen, verbesserten Version des Raumschiffes, in dem 3D-gedruckte Teile verbaut sind, wird diese frühere Intention bald Wirklichkeit werden.

2014 war es das vorrangige Ziel des Unternehmens, die Zuverlässigkeit und Effizienz der Rakete Falcon 9 sowie des Raumschiffes Dragon zu erhöhen, durch Rapid Prototyping mit Hilfe von 3D-Drucken. Dies war von besonderer Bedeutung, da der SuperDraco Motor Teil ihrer bemannten Raumfahrtmission war.

Sie schlussfolgerten, dass “verglichen mit herkömmlichen Gussteilen, ein (3D) gedruckter Ventilkörper überlegen ist bezüglich Stärke, Duktilität und Bruchresistenz, bei einer geringeren Variabilität der Materialeigenschaften.” (SpaceX Launches 3D-Printed Part To Space, Creates Printed Engine Chamber).

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bild Quelle:  SpaceX

Space X schickt 3D-gedruckte Teile ins All, gedruckte Motorkammer von 2014

Das “Dragon Raumschiff ist zur Zeit mit der Wiederbelieferung der Raumstation betreut. Mit der NASA wurde ein 1,6 Milliarden Dollar Vertrag für Cargo Supply Services abgeschlossen.” Nachdem mehrere Flüge inklusive Wiedereintritt in die Erdatmosphäre erfolgreich verlaufen sind, wird innerhalb der nächsten ein bis zwei Jahre der erste bemannte Testflug erwartet.

Quelle: Dragon (Space X)

Immer schneller auf dem Pfad der Entwicklung

Seit 2016 gibt es klare Standards bezüglich 3D-Druck im All. Dies ebnet den Weg für private Unternehmen, um die Technologien nahtlos in ihre zukünftigen Designs zu integrieren. Beinahe jedes Unternehmen der Branche nutzt bereits jetzt den 3D-Druck, um ihre Motoren oder die Produktion zu optimieren. Einer der wichtigsten Faktoren für die kosteneffektive Raumfahrt ist das Gewicht. Leichtgewichtigkeit wird zweifellos zu einem großen Anteil das Raumschiff beeinflussen, hierfür ist der 3D-Druck ideal geeignet. Wo die neuen Herausforderungen liegen, kann an der Arbeit von Unternehmen wie Made in Space Made In Space verdeutlicht werden, welche im All selbst neue Komponenten 3D-drucken.

Wir malen uns eine Zukunft aus, in der die Expansion zum selbsttragenden Prozess wird, verbunden durch Datenübertragung, in der Asteroiden und ausrangierte Weltraumfahrzeuge das Rohmaterial für neue 3D-Drucke werden.

Möglicherweise war der 3D-Druck das fehlende Bindeglied, um die Raumfahrt voran zu treiben und die Kolonisierung des Weltalls zu ermöglichen...

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