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Im Rampenlicht: 3D gedruckte Raketen und die Zukunft der Fertigung in der Raumfahrt

Der 3D-Druck hat entwickelt sich auch bei der Herstellung von Raumfahrzeugen, insbesondere von Raketen schnell entwickelt. Sowohl Start-ups als auch etablierte Hersteller setzen auf 3D-Druck um Raketenkomponenten mit verbessertem Design und verbesserter Leistung zu geringeren Kosten und mit kürzeren Durchlaufzeiten herzustellen.
 
Diese Woche führen wir unsere Serie “Im Rampenlicht” mit einem Blick in die Raumfahrtindustrie fort. Hier stellen wir insbesondere die Vorteile von 3D gedruckten Raketenkomponenten und sogar ganzen Raketen vor.
 
Andere Berichte aus dieser Serie finden Sie hier:
 
3D Druck von Wärmeaustauschern
 
3D Druck von Kugellagern
 
3D Druck in der Fahrradindustrie
 
3D Druck für Digitale Zahntechnik und Zahnspangen
 
3D Druck für medizinische Implantate
 

Warum werden Raketenteile im 3D-Druck hergestellt?

Der Wettlauf um Satelliten ins All zu bringen wird immer wettbewerbsfähiger.
 
Aus diesem Grund stehen die Hersteller von Raumfahrzeugen vor der Herausforderung die Entwicklung und Produktion von Raketen zu beschleunigen und gleichzeitig die Kosten zu senken und die Effizienz zu steigern.
 
Bei der konventionellen Raketenherstellung machen jedoch mehrere Prototypenzyklen und Produktionsschritte den Prozess langwierig und sehr kostspielig.
 
So kann es beispielsweise zwischen 10 und 14 Monate dauern bis eine konventionelle Brennkammer hergestellt ist (eine strukturelle Raketenkomponente, bei der ein Gemisch aus Kraftstoff und Druckluft gezündet wird).
 
Um diese Brennkammern herzustellen müssen die Hersteller separate Bauteile gießen und schmieden. Danach müssen Kühlkanäle um die Kammer herum bearbeitet werden – ein sehr zeitaufwendiger, arbeits- und kostenintensiver Prozess.
 
Angesichts dieser Herausforderungen beginnen große Raketenhersteller bereits damit, Brennkammern durch additive Fertigung herzustellen. Einmal entworfen, kann eine 3D-gedruckte Brennkammer innerhalb weniger Wochen hergestellt werden, sodass die Hersteller Produktionszeiten und Kosten erheblich reduzieren können.
 
Die Herstellung von Hardware für den Start im Weltraum erfordert außergewöhnliche Leistungen und Präzision. Um einen erfolgreichen Start zu gewährleisten muss jedes Teil nahtlos zusammenarbeiten.
 
Bei der herkömmlichen Herstellung werden Ingenieure bereits bei dem Entwurf der hochkomplexen Raketenteile mit Einschränkungen konfrontiert. Mithilfe des Metall-3D-Drucks können die Ingenieure einige der Einschränkungen die bei traditionellen Prozessen auftreten, überwinden und komplexere Raketenkomponenten schneller entwickeln.
 

Das Einsetzen der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung von Raketenteilen

Bis heute haben Raumfahrzeughersteller im Großen und Ganzen laserbasierte Metall-3D-Drucktechnologien wie Selective Laser Melting (SLM) zur Herstellung von Raketentriebwerksteilen wie Brennkammern, Injektoren, Düsen, Pumpen und Ventilen übernommen. SLM wendet einen leistungsstarken, fein abgestimmten Laser auf eine Schicht Metallpulver an, um Metallpartikel miteinander zu verschmelzen. Der Vorgang wird auf Hunderten von Ebenen wiederholt, bis ein Teil erstellt ist.
 
SLM bietet hohe Präzision (kann Schichten mit einer Dicke von bis zu 20 Mikrometern drucken) und ist für die Arbeit mit einer Vielzahl von Hochleistungsmetallen optimiert, von Titan bis zu Nickellegierungen. Diese Technologie wird normalerweise für kleinere Teile verwendet
 
Zusätzlich zu SLM verwenden einige Raumfahrzeughersteller die Direct Energy Deposition-Technologie (DED) um große Komponenten zu erstellen. DED-3D-Drucker schmelzen Metallmaterial mit einem Laser oder einem Elektronenstrahl, während es durch eine Düse auf der Bauplattform abgeschieden wird.
 
Typischerweise weisen DED-Maschinen hohe Materialablagerungsraten auf und können mit Metallmaterialien in Pulver- oder Drahtform arbeiten, wodurch hochdichte Teile mit nahezu netzähnlichen Formen erzeugt werden.
 

Die Vorteile des 3D-Drucks für Raketen

Die Fähigkeit schnell zu iterieren

Einer der größten Vorteile des 3D-Drucks für Raketenteile ist die Möglichkeit, Konstruktionen sehr schnell zu iterieren.
 
„Mit additive können Sie fünf Iterationen eines Entwurfs durchlaufen, während sie mit der herkömmlichen Methode noch bei dem ersten sind. Alle fünf zusammen kosten wahrscheinlich weniger als eine herkömmliche Iteration”, sagt Scott Killian, Aerospace Business Development Manager für EOS North Amerika im Interview mit engineering.com.
 
Ein 3D-Drucker kann Raketenteile direkt aus einer Konstruktionsdatei erstellen, ohne dass dazu Werkzeuge eingesetzt werden müssen. Wenn ein Teil geändert werden muss können die Ingenieure einfach Änderungen an einer ursprünglichen CAD-Datei vornehmen und dieses neue, geänderte Design viel schneller erstellen, als es in herkömmlichen Prozessen möglich ist.
 

Design Flexibilität

Bildnachweis: EOS
Bildnachweis: EOS

 
Ohne die Abhängigkeit von Werkzeugen bietet der 3D-Druck Raumfahrtingenieuren die Flexibilität, komplexe Formen und Geometrien zu erstellen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht erreichbar sind.
 
Betrachten Sie z.B die Brennkammern. Eine Brennkammer ist bei allen Raketentriebwerken eine entscheidende Komponente und muss unter hohem Druck Temperaturen von bis zu 2760 ° C (5.000 ° F) standhalten, da sich die Treibmittel im Inneren mischen und entzünden.
 
Um effizient arbeiten zu können, benötigt diese Komponente komplexe interne Kühlkanäle, die mit Gasen gefüllt sind die auf weniger als 38 ° C über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden.
 
Traditionell sind diese Kühlkanäle sehr kompliziert und teuer in der Entwicklung. Sie erfordern spezielle Werkzeuge, um Kühlkanäle für die CNC-Maschine zu bearbeiten und die Außenwand der Kammer zu verlöten. Diese getrennten Segmente müssen dann zu einem Stück verschweißt werden.
 
Der 3D-Druck hingegen rationalisiert den Prozess dadurch dass die gesamte Kammer direkt hergestellt werden kann. Darüber hinaus werden komplexe Kühlkanaldesigns wie in der Abbildung oben ermöglicht, die nicht maschinell bearbeitet werden müssen.
 

Kostengünstigere Raketenteile

Orbex 3D gedrucktes Raketenmotor [Bildnachweis: Orbex]
Orbex 3D gedrucktes Raketenmotor [Bildnachweis: Orbex]

 
Motoren sind der teuerste Teil einer Trägerrakete (ein raketengetriebenes Fahrzeug, mit dem Satelliten oder andere Raumfahrzeuge ins All geschossen werden). Die Kosten eines Triebwerks können bis zu 40% der Kosten der gesamten Rakete ausmachen. Durch die Verwendung des 3D-Drucks zur Herstellung entscheidender Triebwerksteile können die Raketenhersteller die Gesamtkosten eines Raumfahrzeugs drastisch senken.
 
Mithilfe des 3D-Drucks können die Ingenieure die Produktion von Raketentriebwerkskomponenten rationalisieren und dabei eine Reihe von Produktionsschritten umgehen. Je weniger Schritte, desto weniger ist Ausrüstung und Feinabstimmung erforderlich, was letztendlich zu niedrigeren Produktionskosten führt.
 
Darüber hinaus bedeutet die Automatisierung des Produktionsprozesses mit 3D-Druck, dass die meisten Arbeitskosten nicht mehr berücksichtigt werden.
 
Beispielsweise verwendet das britische Luft- und Raumfahrtunternehmen Orbex die SLM-Technologie und eine Nickellegierung, um einen Motor für seinen Prime Launcher in 3D zu drucken. Durch den Metall-3D-Druck konnte Orbex im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsverfahren wie der CNC-Bearbeitung die Durchlaufzeit um 90% und die Kosten um 50% reduzieren.
 
SpaceX, dass in Privatbesitz von Elon Musk befindliche Unternehmen für Raumfahrttechnologie hat sich auch dem 3D-Druck verschrieben, um die Kosten zu senken und eine größere Flexibilität im Produktionsprozess seiner Draco- und SuperDraco-Triebwerke zu bieten. Das Unternehmen verwendet einen SLM-basierten Metall-3D-Drucker, um Inconel-Brennkammern zu erstellen.
 
Musk,gibt an: „Durch 3D-Druck können robuste und leistungsstarke Motorteile zu einem Bruchteil der Kosten und Zeit von herkömmlichen Fertigungsmethoden hergestellt werden.“
 

Vereinfachte Montage

Ein 3D-gedruckter Injektor Kopf für die Trägerrakete Ariane 6 A [Bildnachweis: EOS]
Ein 3D-gedruckter Injektor Kopf für die Trägerrakete Ariane 6 A [Bildnachweis: EOS]

 
Darüber hinaus können Ingenieure die Anzahl der Schritte im Montageprozess erheblich reduzieren. Durch den 3D-Druck von Raketenteilen kann erreicht werden dass ein vorher aus mehreren Komponenten bestehendes Teil jetzt in einem Stück hergestellt werden kann.
 
Nehmen Sie als Beispiel einen Injektor Kopf. Ein Injektor Kopf ist eines der Kernelemente eines Antriebsmoduls, das das Kraftstoffgemisch in den Brennraum drückt.
 
Traditionell werden Injektor Köpfe aus Dutzenden oder sogar Hunderten von Teilen hergestellt, die bearbeitet und zusammengeschweißt werden müssen. Beim 3D-Druck hingegen können solche Bauteile aus einem Stück gefertigt werden.
 
Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) stellten mit Hilfe des 3D-Drucks ein neues Design eines Injektor Kopfs für einen kleinen Satellitenstarter her.
 
Das Ergebnis ist ein monolithisches Teil, das 10% leichter ist als bisher. Durch die Reduzierung der Anzahl der Bauteile von 30 auf nur eins konnte das Forscherteam auch bekannte Fehlerquellen an den Befestigungsstellen beseitigen. Schließlich soll das neue, optimierte Design die Teileleistung verbessern und die Lebensdauer des Teils verlängern.
 
In ähnlicher Weise vereinfachte der Metall-3D-Druckspezialist EOS die Montage eines Injektor Kopfs für den von ArianeGroup, einem Joint Venture von Airbus Group und Safran, entwickelten Ariane 6-Trägerraketen.
 
Unter der Verwendung der SLM-Technologie war es dem Team möglich, einen Injektor Kopf als eine Komponente anstatt der bisher üblichen 248 Komponenten, die für ein traditionelles Design erforderlich sind neu zu konstruieren. Weitere Vorteile waren eine Kostenreduzierung von 50% und eine Verkürzung der Vorlaufzeiten um 30%.
 

Beispiele für 3D-gedruckte Raketenteile

Rocket Lab’s 3D-printed Rutherford engine

Der Rutherford Motor. [Bildnachweis: Rocket Lab]
Der Rutherford Motor. [Bildnachweis: Rocket Lab]

 
Im Juli stellte Rocket Lab, ein in Kalifornien ansässiges Luft- und Raumfahrtunternehmen, den 100sten 3D-gedruckten Rutherford-Raketenantrieb fertig. Seit 2013 verwendet das Unternehmen für alle Hauptkomponenten des Motors (einschließlich Brennkammern, Einspritzdüsen, Pumpen und Haupttreibstoffventile) ausschließlich den 3D Druck.
 
Neun Rutherford-Flüssigtreibstoffmotoren treiben die aus Verbundwerkstoffen gefertigte Rakete Electron von Rocket Lab an, die eine Nutzlast bis zu 225 kg tragen kann. Die Motorteile werden mit Hilfe der EBM-Technologie (Electron Beam Melting) 3D-gedruckt, mit der Motorteile kostengünstiger hergestellt werden können als mit herkömmlichen Verfahren.
 
Kürzlich hat Rocket Lab erneut die Zuverlässigkeit von 3D-gedruckten Triebwerken unter Beweis gestellt und vier Satelliten mit seinem Elektronenwerfer erfolgreich in die Umlaufbahn gebracht.
 
Bis 2020 plant das Unternehmen zwei Starts pro Monat. Mit dem 3D-Druck, der es Rocket Lab ermöglicht, einen Motor in wenige n Tagen statt Monaten zu produzieren, ist das Team gut positioniert, um diesen Plan in die Tat umzusetzen.
 

3D Druck ganzer Raketen

Der Stargate 3D-Drucker wurde entwickelt, um große Raketenteile wie Treibstofftanks herzustellen [Bildnachweis: Relativity Space]
Der Stargate 3D-Drucker wurde entwickelt, um große Raketenteile wie Treibstofftanks herzustellen [Bildnachweis: Relativity Space]

 
Das in Kalifornien ansässige Startup Relativity Space will über 3D-gedruckte Raketentriebwerke hinausgehen. Das Unternehmen entwickelt eine Terran Rakete, von der rund 95% der Komponenten in 3D gedruckt werden.
 
Zu diesem Zweck hat das Unternehmen Stargate entwickelt, einen der weltweit größten DED-Metall-3D-Drucker. Mit der Möglichkeit Bauteile mit einem Durchmesser von bis zu 2,7 m und einer Höhe von etwa 4,5 m herzustellen, druckt Stargate alle Kraftstofftanks und weitere große Raketenteile.
 
Durch die Verwendung des 3D-Drucks zur Herstellung einer gesamten Rakete möchte Relativity Space das Gewicht der Rakete erheblich reduzieren, was potenziell die Startkosten senken und gleichzeitig die Nutzlast erhöhen kann.
 
Der 3D-Druck reduziert auch die Anzahl der Teile, die zusammengebaut werden müssen, wodurch die Festigkeit und Stabilität der Rakete erhöht wird.
 
Für kleinere Teile setzt das Unternehmen die SLM-Technologie ein.
 
Laut Relativity Space ermöglicht der 3D-Druck die Konstruktionen schnell zu ändern und weniger Werkzeug und Arbeitsaufwand zu benötigen, als dies normalerweise bei der Raketenentwicklung erforderlich wäre. Dies könnte letztendlich dazu führen, dass Relativity Space in weniger als zwei Monaten vom Rohmaterial zu einer flugbereiten Rakete kommen würde.
 
Relativity Space ist derzeit das einzige Unternehmen, das 3D-Drucktechnologien für eine ganze Rakete einsetzt. Wird sich das Konzept einer 3D-gedruckten Rakete als erfolgreich erweisen? Die Antwort wird letztendlich im Testen und Starten liegen. Der Teststart der 3D-gedruckten Terran Rakete ist für Ende 2020 geplant.
 

Die Zukunft des 3D Drucks in der Luft- und Raumfahrt

Der 3D-Druck hat das Design und die Produktion von Raketen und Raketentriebwerksteilen revolutioniert. Die Grundlagen des Raketendesigns haben sich vielleicht nicht geändert, aber der Metall-3D-Druck hat neue Wege zur Verbesserung der Raketenleistung eröffnet und bietet mehr Gestaltungsfreiheit.
 
Die Technologie kann dazu beitragen, die Kosten für die Herstellung von Motoren, einer der teuersten Raketenkomponenten, zu senken. Dies wird erreicht, indem die Anzahl der Produktionsschritte reduziert und häufigere Konstruktionsiterationen ermöglicht werden.
 
Obwohl die Möglichkeiten des 3D-Drucks über Triebwerksteile hinaus erst noch getestet werden müssen, ist das Potenzial der Technologie für vollständig 3D-gedruckte Raketen wirklich aufregend.
 
Der 3D-Druck hat sich zu einer Schlüsselherstellungstechnologie für die Produktion von Raumfahrzeugen entwickelt, mit der Ingenieure schneller innovieren und die nächste Generation der Raumfahrt einführen können.