Additive Fertigung Erstes Metallteil an Bord der ISS 3D-gedruckt

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Sieben Monate hat es gedauert bis das erste 3D-Metallteil an Bord der Internationalen Raumstation (ISS), 400 Kilometer über der Erde, gedruckt wurde. Doch wie hat das Team das geschafft?

Der erste Metall-3D-Drucker, der auf einer Raumstation installiert wurde, traf im Januar 2024 an Bord der ISS ein. Der Metall-3D-Drucker wurde von einem Konsortium aus Airbus Defence and Space, AddUp, der Universität Cranfield und Highftech Engineering im Rahmen eines Programms der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) entwickelt und finanziert. Der Drucker soll die Machbarkeit demonstrieren, Metallteile in der Schwerelosigkeit herzustellen.

Nach der Installation des Druckers an Bord des Columbus-Moduls der ISS im Mai dieses Jahres und der hermetischen Versiegelung der Druckertür durch den ESA-Astronauten Andreas Mogensen konnte der Druckprozess beginnen. 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 des Prozesses.

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Vorbereitungen für den ersten 3D-Druck in Schwerelosigkeit

Das Team begann mit Inbetriebnahmetests, einer wichtigen Phase, in der die Teilsysteme des 3D-Druckers getestet werden, um sicherzustellen, dass sie zusammen funktionieren: das System zum Auftragen von Edelstahl, 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 Druckprozess wie bei herkömmlichen Desktop-3D-Druckern beginnen, indem geschmolzenes Material auf eine bewegliche Platte in der gewünschten Form aufgebracht wird, um ein Teil Schicht für Schicht aufzubauen. Hier wird anstelle von Kunststoff ein Edelstahldraht mit einem Hochleistungslaser aufgeschmolzen.

Übergang von 2D auf 3D ist kein Zuckerschlecken

Ein letzter Test war erforderlich, um diese Inbetriebnahmephase zu validieren: das Aufbringen eines Buchstabens S aus Edelstahl. „Der erfolgreiche Druck des S bestätigte, was wir ‚2D‘ nennen“, sagt Anthony Lecossais, leitender Ingenieur für Metall-3D. „Als Nächstes mussten wir zu 3D übergehen, d. h. mehrere Schichten übereinander aufbringen. Das war kein Zuckerschlecken, und wir mussten mit einigen Unwägbarkeiten umgehen. Die ISS ist ein Ort wie kein anderer, an dem ein hohes Maß an Sicherheit herrscht. Außerdem haben wir ein komplexes Betriebsszenario, um sicherzustellen, dass wir die Nutzlast über die Telekommunikationsverbindungen der ISS zuverlässig fernsteuern und überwachen können.“

Nach einigen Anpassungen mit Hilfe des Projektpartners AddUp konnten die Schichten miteinander verknüpft werden. „Da jede Schicht gesteuert wird, konnten wir Sequenzen von zwei bis drei Minuten laufen lassen und dann auf die Rückmeldung des CNES-Operators warten, bevor wir die nächste Sequenz laufen ließen, um die Druckleistung zu überprüfen und eventuelle Korrekturen vorzunehmen“, erklärt Lecossais.

Richtige Schichthöhe ist das Entscheidenste

Von allen Parametern des 3D-Drucks erfordert die richtige Schichthöhe die meiste Aufmerksamkeit. Die Höhe wird gemessen, bevor ein Kalibrierungsbefehl gesendet wird, um die Höhe der nächsten Schicht anzupassen. Und es sind über 200 Schichten zu drucken. „Es ist eine akribische Arbeit, die wir jeden Tag gelernt haben, indem wir jede gedruckte Schicht und alle Daten der Nutzlast gescannt haben. Das half uns, uns ständig anzupassen“, sagt Lecossais.

Mitte Juli, 55 Schichten später, war die Hälfte des ersten Musters gedruckt, was den Beginn einer „Kreuzfahrtphase“ markierte, in der die Druckrate dank Optimierungsquellen sowohl am Boden als auch an Bord der ISS beschleunigt wurde. So wurde beispielsweise nach einer Analyse des Geräuschbedarfs die Druckzeit von 3,5 auf 4,5 Stunden pro Tag erhöht.

3D-Metalldrucker in versiegelter Box gesichert

Anfang August 2024 war die erste Probe für einen ISS-Astronauten zur Entnahme bereit. Der 3D-Metalldrucker ist in einer versiegelten Box untergebracht, die wie ein Tresor wirkt, 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 zu normalisieren, um die versiegelte Box ohne Druckabfall öffnen zu können. Am 21. August entnahmen die Astronauten Sunita Williams und Jeanette Epps die erste Probe aus dem Metall-3D-Drucker.

„Dieses erste Muster wird es der ESA ermöglichen, die Auswirkungen der Mikrogravitation auf den 3D-Druckprozess von Metallen zu charakterisieren, indem sie die mechanischen Eigenschaften dieses im Weltraum hergestellten Teils mit denen des gleichen Teils vergleicht, das in unserem Labor in Toulouse hergestellt wurde. Außerdem wurde die Praktikabilität des Verfahrens getestet“, sagt Lecossais.

Auswirkungen der Mikrogravitation auf die Druckleistung

Die anderen drei Exemplare, die gedruckt werden sollen, werden unterschiedliche Eigenschaften des Metalls zeigen. Die vier Teile werden nach ihrer Rückkehr von der ISS am Boden bei ESTEC, dem Europäischen Astronautenzentrum und der Technischen Universität Dänemark analysiert.

„Eines der Hauptziele dieses Technologiedemonstrators ist es, so viele Daten wie möglich über die Auswirkungen der Mikrogravitation auf die Druckleistung zu sammeln. Wir freuen uns sehr, dass wir auf Anhieb einen erfolgreichen Druck erzielt haben“, so Lecossais abschließend. „Dies wird dazu beitragen, die Technologien für die Fertigung im Weltraum voranzutreiben, von der Werkzeugherstellung über Reparaturen bis hin zur additiven Fertigung, und neue Möglichkeiten für künftige Raumfahrtmissionen eröffnen.“

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