ISS bekommt ersten Metall-3D-Drucker speziell für die Raumfahrt

Der erste 3D-Metalldrucker für den Weltraum, der von Airbus für die Europäische Weltraumorganisation (ESA) entwickelt wurde, wird demnächst an Bord des Columbus-Moduls der Internationalen Raumstation (ISS) getestet. Er könnte die Fertigung im Weltraum und künftige Missionen zum Mond oder Mars grundlegend verändern. Auf der ISS befinden sich bereits mehrere 3D-Kunststoffdrucker, von denen der Erste schon 2014 eintraf. Die Astronauten haben sie genutzt, um Kunststoffteile zu ersetzen oder zu reparieren.

Aber gerade in der Raumfahrt kann nicht jedes Ersatzteil aus Kunnststoff hergestellt werden. Dieser logistische Engpass wird sich auf zukünftigen Mond- und Marsstationen in den nächsten Jahrzehnten noch verschärfen. Auch wenn das Rohmaterial noch in den Weltraum gebracht werden muss, ist das Drucken des Teils immer noch effizienter als der Transport des gesamten Teils bis zu seinem Bestimmungsort.

Gwenaëlle Aridon, leitende Ingenieurin bei Airbus Space Assembly, sagt: "Der 3D-Metalldrucker wird neue Fertigungsmöglichkeiten in der Umlaufbahn bieten, einschließlich der Möglichkeit, tragende Strukturteile herzustellen, die widerstandsfähiger sind als ein entsprechendes Kunststoffteil. Die Astronauten werden in der Lage sein, Werkzeuge wie Schraubenschlüssel oder Montageschnittstellen, die mehrere Teile miteinander verbinden können, direkt herzustellen. Die Flexibilität und schnelle Verfügbarkeit des 3D-Drucks wird die Autonomie der Astronauten erheblich verbessern."

Der Metall-3D-Drucker verwendet ein Verfahren mit dem Namen Laserauftragschweißen mit Draht. Beim Laserauftragschweißen mit Draht (englisch: Wire-based laser metal deposition, kurz: LMD-w) wird ein Draht - im Fall des ISS-Druckers aus rostfreiem Edelstahl - innerhalb des Druckers mit dem Laserstrahl aufgeschmolzen und schichtweise gezielt auf die Bauteiloberfläche aufgebracht.  Das Bauteil befindet sich dabei auf einer Grundplatte, die in mehreren Ebenen bewegt werden kann. Der Draht wird kontinuierlich aus einer Kassette zugeführt. Schicht für Schicht lassen sich auf diese Weise die gewünschten Bauteile oder Strukturen aufbauen.

Während das Verfahren des 3D-Drucks auf der Erde gut verstanden ist und beherrscht wird, stellt das Drucken von Metall im Weltraum eine eigene Reihe von technischen Herausforderungen dar.

• Sébastien Girault, Systemingenieur für Metall-3D-Drucker bei Airbus: "Die erste Herausforderung bei diesem Technologiedemonstrator war die Größe. Auf der Erde werden die derzeitigen Metall-3D-Drucker in einem mindestens zehn Quadratmeter großen Labor installiert", sagt er.
• "Um den Prototyp für die ISS herzustellen, mussten wir den Drucker auf die Größe einer Waschmaschine verkleinern. Diese Verkleinerung ist notwendig, damit der Drucker in das Gestell passt, in dem er an Bord des Columbus-Labors der ISS untergebracht sein wird. "Bei dieser Größe können wir Teile mit Maßen von neun Zentimetern Höhe und fünf Zentimetern Seitenlänge drucken", sagt Girault.
• "Der Umgang mit der Schwerkraft ist ebenfalls entscheidend, weshalb wir uns für eine drahtbasierte Drucktechnologie entschieden haben. Der Draht ist unabhängig von der Schwerkraft, im Gegensatz zu pulverbasierten Systemen", sagt Girault.
• Unabhängig davon, ob es sich um Kunststoff oder Metall handelt, werden Dämpfe freigesetzt, die mit Filtern behandelt und innerhalb der Maschine aufgefangen werden müssen, damit sie die Luft in der ISS nicht verunreinigen.

Für das Experiment "Metall-3D-Druck im All" werden zwei Drucker verwendet: das "Flugmodell" in der ISS und das "Konstruktionsmodell" auf der Erde. Die Astronauten werden im Weltraum vier Proben ausdrucken, die zur Analyse auf die Erde zurückgeschickt werden. Die gleichen Proben werden mit dem Drucker für technische Modelle hergestellt. "Um die Auswirkungen der Mikrogravitation zu bewerten, werden die ESA und die Dänische Technische Universität mechanische Festigkeits- und Biegetests sowie Mikrostrukturanalysen an den im Weltraum hergestellten Teilen durchführen und sie mit den anderen Proben vergleichen", erklärt Girault.

Der Druck von Strukturteilen im Weltraum ist ein wichtiger Schritt bei der Vorbereitung der Technologien, die die Menschheit für eine dauerhafte Präsenz etwa auf dem Mond benötigt.
"Die Erhöhung des Reife- und Automatisierungsgrads der additiven Fertigung im Weltraum könnte einen Wendepunkt für die Unterstützung von menschlichem Leben jenseits der Erde darstellen", betont Aridon. So könnten entsprechen angepasste Metalldrucker zum Beispiel umgewandeltes Regolith (Mondstaub] für den Bau einer Mondbasis nutzen.