Erster Metall-3D-Drucker auf der ISS gestartet

Im Januar 2024 ist der erste Metall-3D-Drucker der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) an Bord der Internationalen Raumstation ISS angekommen. Der von Airbus und seinen Partnern gebaute Drucker soll die Machbarkeit der Produktion von Metallteilen in der Schwerelosigkeit demonstrieren und den Weg für neue Fertigungsmöglichkeiten im Orbit ebnen.

Nachdem der Drucker im Mai dieses Jahres an Bord des Columbus-Moduls der ISS installiert und die Druckertür von ESA-Astronaut Andreas Mogensen hermetisch versiegelt worden war, begann der Druckprozess. Der Druckvorgang wurde von der französischen Raumfahrtagentur CNES, dem Kontrollzentrum für die Nutzlasten der ISS, überwacht. Zwei Mitarbeiter von Airbus und CNES sorgten für einen reibungslosen Ablauf.

Das Team begann mit Inbetriebnahmetests. Dabei wurden die Teilsysteme des 3D-Druckers getestet, um sicherzustellen, dass sie wie geplant zusammenarbeiten: das Edelstahl-Auftragssystem, der Laser, der Drahtvorschub. Außerdem musste die Koordination der beweglichen Platten des Druckers überprüft werden, um sicherzustellen, dass das Metall in einer vorgegebenen Bahn aufgetragen werden kann.

Dann konnte der Druckvorgang beginnen, wie bei herkömmlichen Filament-basierten Desktop-3D-Druckern, indem geschmolzenes Material auf eine bewegliche Platte in der gewünschten Form aufgetragen wird, um das geplante Teil Schicht für Schicht aufzubauen. Anstelle von Kunststoff wird hier allerdings ein Edelstahldraht mit einem Hochleistungslaser geschmolzen.

Das Drucken in der Schwerelosigkeit braucht ein besonders umsichtiges Vorgehen: Von allen Parametern des 3D-Drucks erfordert die korrekte Einstellung der Schichthöhe die meiste Aufmerksamkeit. Die Höhe wird gemessen, bevor ein Kalibrierungsbefehl gesendet wird, um die Höhe der nächsten Schicht anzupassen. "Da jede Schicht kontrolliert wird, konnten wir anfangs nur Sequenzen von zwei bis drei Minuten laufen lassen und dann auf das Feedback des CNES-Bedieners auf der Erde warten, bevor wir die nächste Sequenz laufen ließen, um die Druckleistung zu überprüfen und eventuelle Korrekturen vorzunehmen", erklärt Lead Engineer Anthony Lecossais. "Es ist eine akribische Arbeit, die wir jeden Tag lernen, indem wir jede gedruckte Schicht und alle Daten der Nutzlast scannen. Mitte Juli, 55 Schichten später, war die Hälfte des ersten Musters gedruckt und die Druckrate konnte dank Optimierungen erhöht werden.

Anfang August 2024 war die erste Probe für einen ISS-Astronauten zur Entnahme bereit. Der 3D-Metalldrucker ist in einer versiegelten Box untergebracht, um die richtige Atmosphäre mit einem sehr niedrigen Sauerstoffgehalt im Inneren des Druckers aufrechtzuerhalten und die Sicherheit an Bord zu gewährleisten. Während der Druckphase wurde der Sauerstoff in dieser Box durch Stickstoff ersetzt, um die ISS und ihre Besatzung vor den Risiken zu schützen, die mit der Verwendung eines Hochleistungslasers verbunden sind, um den Schmelzpunkt des Metalls von über 1.200 °C zu erreichen.

Der Austausch von Sauerstoff gegen Stickstoff verhinderte auch die Oxidation des Metalls. Der letzte Schritt bestand darin, die Atmosphäre im Inneren des Druckers wieder zu normalisieren, um die versiegelte Box ohne Druckabfall öffnen zu können. Am 21. August holten die Astronauten Sunita Williams und Jeanette Epps die erste Probe aus dem Metall-3D-Drucker.

Anhand dieses ersten Musters kann die ESA die Auswirkungen der Mikrogravitation auf das 3D-Druckverfahren für Metalle charakterisieren, indem sie die mechanischen Eigenschaften dieses im Weltraum hergestellten Teils mit denen eine im Labor in Toulouse hergestellten Teils vergleicht. "Eines der Hauptziele dieses Technologiedemonstrators ist es, so viele Daten wie möglich über die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf die Druckleistung zu sammeln. Wir freuen uns sehr, dass wir auf Anhieb einen erfolgreichen Druck erzielt haben", so Lecossais.