In-Orbit-Fertigung: Fortschritte beim Metall-3D-Druck

Metall-3D-Drucktechniken haben in den letzten fünf Jahren große Fortschritte gemacht. Fortschritte in der Materialwissenschaft, den Liefermethoden und der Automatisierung haben den 3D-Druck in der Wirtschaft verbreiteter gemacht. Jetzt ist der 3D-Druck bereit, außerhalb der Atmosphäre zu operieren. Hier ist, was Sie wissen müssen.

3D-Druck ist ein großes Geschäft

Die 3D-Druckbranche erweitert weiterhin ihre Aktivitäten. Forscher von BGC haben prognostiziert, dass die Branche bis 2032 einen Wert von über 95 Milliarden $ erreichen wird. Dieser zusätzliche Wert stellt ein enormes Wachstum gegenüber 2022 dar, als der Markt mit 18 Milliarden $ bewertet wurde. Jetzt wird der Markt neue Höhen erreichen, da die weltweit führenden Weltraumerkundungsteams nach Lösungen für ihre Reiseprobleme suchen.

Metall-3D-Druck

Es gibt heute viele Arten von 3D-Druck, die verwendet werden. Besonders der Metall-3D-Druck hat in den letzten Jahren einige der wichtigsten Verbesserungen erfahren. Metall-3D-Drucker erzeugen Produkte, indem sie aufeinanderfolgende Schichten erhitzten Metalls in einem vorbestimmten Muster hinzufügen, bevor sie abkühlen und ihre Form annehmen. Diese Druckmethode kann komplexe, leichtgewichtige Bauteile herstellen, die in Luftfahrt- und Medizinkomponenten verwendet werden können.

Quelle – ESA

Drucken im Weltraum

Zukünftige Weltraumerkundungsteams müssen Geräte wie dieses einsetzen, um ihren Ressourcenmangel auszugleichen. Deshalb wurde ein konzentrierter Aufwand unternommen, den 3D-Druck unter Bedingungen außerhalb der Erdatmosphäre zu untersuchen. Daher wollten ESA-Forscher die Auswirkungen verschiedener Gravitationskräfte auf Materialien und Prozesse studieren.
Das Drucken von Gegenständen im Weltraum hat das Potenzial, die Bemühungen der Menschheit zu neuen Zielen zu katapultieren. Diese Geräte helfen, Abfall zu reduzieren, die Flexibilität zu erhöhen und das Gewicht zu senken. Natürlich hat das Drucken im Weltraum Probleme, die überwunden werden müssen, bevor es sein volles Potenzial entfalten kann. Insbesondere erschweren ein Mangel an Druck und Gravitationskräften das Schichten von Material.

Erster Metall-3D-Druck auf der Raumstation

Dieser Monat markiert einen wichtigen Meilenstein für den Weltraum-3D-Drucksektor, da die ESA (European Space Agency) die erfolgreiche Herstellung mehrerer 3D-Metallkomponenten in Mikrogravitation für die Internationale Raumstation bekannt gab. Diese Nachricht ist einer der ersten Fälle, in denen die 3D-Druckbranche in den Weltraum vorgedrungen ist. Derzeit führt die EU diesen Markt an, wobei ihre neuesten Forschungen das Potenzial haben, die Branche zu revolutionieren.

Der Metall-3D-Drucker-Technologie-Demonstrator

Das innovative ESA-Forschungsteam entwickelte einen speziell für Mikrogravitationsbedingungen konzipierten Metall-3D-Drucker für diesen Test. Das 180 kg schwere Gerät nutzt einen Edelstahl-Draht, um starre Metallprodukte und Werkzeuge in winzigen, nacheinander aufgetragenen Schichten zu erzeugen. Anschließend wurde ein leistungsstarker Laser integriert, um den Draht zu erhitzen. Dieser Laser ist stark genug, um das Metall in eine Flüssigkeit zu verwandeln, die in ein Schmelzbecken tropft und den Druckapplikator speist.

Sicherheitsmerkmale

Einige wichtige Sicherheitsmerkmale, die in diesen Drucker integriert sind, sind für die Raumfahrt einzigartig. Beispielsweise ist das Gerät vollständig in einer Box eingeschlossen, die entwickelt wurde, um Wärme zu absorbieren und ein Entweichen in die Kabine zu verhindern. Dieser Schutz verhindert zudem, dass Dämpfe in das Raumschiff gelangen, was für Tiefraumerforscher potenziell tödlich sein könnte.

Virtuelle Überwachung

Ein weiteres tolles Merkmal des verbesserten 3D-Druckers ist die vollständige Automatisierung und Steuerung von der Bodenstation aus. Die Besatzung kann sich entspannen, während das Bodenteam alle technischen Anforderungen übernimmt. Der einzige Schritt, den Astronauten ausführen müssen, ist das Öffnen des Stickstoffgases, um eine ordnungsgemäße Belüftung im Raumschiff sicherzustellen.
Einer der Hauptgründe, warum diese Kontrollmethode entscheidend ist, besteht darin, dass sie Langzeitweltraumreisen ermöglicht, selbst wenn ein bestimmter Forscher nicht weiterarbeiten kann. Das Bodenteam kann bei Bedarf die notwendige Logistik und Materialunterstützung für die verbleibenden Besatzungsmitglieder bereitstellen.

Testen

Vier Teile wurden im Rahmen des Testverfahrens entworfen und von der Erde aus zum Drucker auf der Raumstation geschickt. Der groß angelegte 3D-Druckprozess wurde vom Bodenkontrollteam erfolgreich gestartet, gesteuert, überwacht und überprüft. Die gedruckten Einheiten befinden sich nun auf dem Weg zu weiteren Tests.
Konkret werden zwei der vier Einheiten zum European Astronaut Centre und zur Technischen Universität Dänemarks (DTU) geschickt. Die letzten beiden Drucke werden im renommierten Labor für Materialien und elektrische Komponenten bei ESTEC in den Niederlanden getestet. Dort werden sie mit bodengefertigten Versionen verglichen, um etwaige Unterschiede in Qualität, Haltbarkeit, Konsistenz oder anderen Faktoren zu untersuchen, die zukünftige Missionen gefährden könnten.

Installation des 3D-Druckers

Ein weiterer interessanter Aspekt des fortschrittlichen Metall-3D-Druckers ist seine Modularität. Der Drucker wurde so konzipiert, dass er direkt in das European Draw Rack Mark II im Columbus-Modul passt. Dieser Ansatz macht die Einheiten für den Einsatz bei allen kompatiblen Raumfahrtbehörden einsatzbereit. Besonders bemerkenswert ist, dass der ESA-Astronaut Andreas Mogensen mit der Installation beauftragt wurde.

Internationale Raumstation

Die im November 2000 gestartete ISS (Internationale Raumstation) dient als Leuchtfeuer der internationalen Zusammenarbeit. Dieses massive 460‑Tonnen‑Raumfahrzeug verfügt über 6 Schlafquartiere, ein komplettes Fitnessstudio und misst etwa 100 Yard in der Länge. Besonders bemerkenswert ist, dass dieses wissenschaftliche Testgelände die Erde 16‑mal täglich mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit von 28.800 km/h umkreist. Diese Geschwindigkeit bedeutet, dass die Passagiere an Bord des Fahrzeugs 16 Sonnenaufgänge innerhalb von 24 Stunden erleben. Noch besser ist, dass sie diese atemberaubenden Momente vom großen 360‑Grad-Bay-Fenster der Raumstation aus genießen können.

Wissenschaftliche Forschungsaktivitäten

Heute ist die ISS ein wesentlicher Bestandteil der Forschung und des Testens neuer Technologien im Weltraum. Das schwebende Labor bietet einen einzigartigen Ort, um Gegenstände unter anhaltender Mikrogravitation zu testen. Seit dem Start der Station wurden Tausende von Experimenten und Tests durchgeführt, und sie bleibt einer der wenigen Orte, an denen man eine wirklich langanhaltende mikrogravitatorische Erfahrung machen kann.

Qualitätsprüfung in geringer Schwerkraft

Der Hauptgrund, warum diese Tests für die zukünftige Erforschung entscheidend sind, liegt darin, dass Forscher nur begrenzte Daten darüber haben, wie der Metall-3D-Druck im Weltraum funktioniert. In normalen Schwerkraftbedingungen können die Geräte ihre Verbundmaterialien problemlos schichten. Dieser Prozess wird jedoch schwieriger, wenn man mit Mikrogravitation, Turbulenzen und anderen Bedingungen zu tun hat.
Ein wichtiger Aspekt, den Forscher testen wollen, ist, wie robust gedruckte Geräte im Vergleich zu ihren bodengebundenen Gegenstücken hergestellt werden können. Sie möchten herausfinden, ob Mikrogravitationsbedingungen das Metallmaterial, insbesondere während des Schichtprozesses, negativ beeinflussen könnten. Daher gibt es große Erwartungen an die abschließende Bewertung dieser gedruckten Teile.

Vorteile von Metall-3D-Druckern im Weltraum

Die Erkenntnis, dass bereits Metall-3D-Drucker im Weltraum im Einsatz sind, ist ein Augenöffner. Die Vorteile dieser Geräte sind so groß, dass Raumfahrtbehörden und 3D-Druckunternehmen seit Jahren zusammenarbeiten, um die vielen Komplexitäten der Herstellung von Gegenständen in minimaler Schwerkraft zu entschlüsseln.
Insbesondere ist einer der Hauptvorteile des 3D-Drucks, dass die benötigten Gegenstände vor Ort hergestellt werden können. Für Weltraumreisende wird dies die beste Option sein. Anders als in der Fernsehserie über Weltraumerkundung ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Besatzungsmitglied zu einem Planeten teleportiert wird, um Nachschub zu erhalten, äußerst gering. In den meisten Fällen müssen die Astronauten in der Lage sein, ihre Bedürfnisse aus dem, was sich an Bord befindet, zu erzeugen. Hier sind weitere Vorteile, die Sie kennen sollten.

Geringeres Gewicht/Kosten

Die Kosten, ein einziges Pfund in den Weltraum zu bringen, liegen im Tausenderbereich. Daher gibt es kaum Budget für einfache Reparaturgeräte wie Schraubenschlüssel, Schraubendreher und andere notwendige, aber nicht ständig benötigte Werkzeuge. Der 3D-Druck bietet eine praktikable Alternative, die schneller ist und weniger kostet, als ein Raumschiff mit Vorräten in die Umlaufbahn zu schicken.

Neues Werkzeugdesign

Ein weiterer großartiger Vorteil dieses Metall-3D-Druckers ist die Fähigkeit, neue Arten von Werkzeugen und Instrumenten zu erstellen, sobald sie erfunden werden. Es ist wahrscheinlich, dass zukünftige Weltraumreisende speziell entwickelte Werkzeuge benötigen, um seltene und unvorstellbare Umgebungen zu bewältigen. Metall-3D-Drucker würden diesen Crews ermöglichen, flexibel zu sein und sich bei Bedarf anzupassen, um ihre Missionsanforderungen zu erfüllen.

Abfall reduzieren

Ironischerweise ist die Müllentsorgung einer der wichtigsten Bestandteile zukünftiger Weltraumreiseoperationen. Anders als auf der Erde, wo man Müll am Straßenrand abwerfen und hoffen kann, dass er sich langsam in der Umwelt auflöst, kann Weltraumschrott ernsthafte Probleme für zukünftige Reisende verursachen.

Das kleinste Stück Weltraumschrott bewegt sich schnell genug, um Satelliten, Raumfahrzeuge und andere empfindliche Gegenstände, einschließlich Astronauten, zu beschädigen. Leider ist die niedrige Erdumlaufbahn bereits mit Weltraumschrott überschwemmt. 3D-Druck könnte helfen, Abfall zu reduzieren, was wiederum dazu beiträgt, Weltraumschrott zu verhindern.

Fortschrittliche Metall-3D-Drucker könnten verwendet werden, bereits produzierte Gegenstände zu schmelzen und ihr Material wiederzuverwenden, um andere Geräte herzustellen. Stellen Sie sich vor, ein Astronaut benutzt einen Schraubenschlüssel, schmilzt ihn anschließend wieder herunter und druckt ihn zu einem anderen wertvollen Werkzeug, das zur Erledigung der Aufgabe benötigt wird. Diese Vision eliminiert unnötigen Abfall und eröffnet die Möglichkeit sichererer Weltraumreisen in der Zukunft.

Forscher

Forscher der ESA, darunter Rob Postema, Sébastien Girault und andere hoch angesehene Ingenieure, führten diese Tests durch, um zentrale Verbesserungsbereiche für den Metall-3D-Druck im Weltraum zu identifizieren. Besonders bemerkenswert ist, dass das Projekt dank der Finanzierung durch Airbus möglich war. Airbus ist eines der weltweit führenden Unternehmen im Bereich Automatisierung und der Spitzenkandidat in der EU.

Die Zukunft des Metall-3D-Drucks

Die Zukunft des Metall-3D-Drucks sieht vielversprechend aus. Diese jüngsten Fortschritte, zusammen mit einer stärkeren KI-Integration, senken weiterhin die technischen und finanziellen Hürden für diese Technologie. Besonders bemerkenswert ist, dass einige Forscher eine Zukunft sehen, in der Häuser, Werkzeuge, Ersatzteile und sogar menschliche Organe gedruckt werden.

Unternehmen, die 3D-Druck vorantreiben

Die 3D-Druckbranche besteht nicht nur aus Druckherstellern. Viele Unternehmen spezialisieren sich auf fortschrittliche 3D-Druckprodukte. Es gibt Anbieter von Spulenmaterialien, Designer, Softwareentwickler und vieles mehr. All diese Komponenten arbeiten zusammen, um die Integration des 3D-Drucks voranzutreiben. Hier sind einige Unternehmen, die von den neuesten Forschungen zum 3D-Druck im Weltraum profitieren könnten.

1. Desktop Metal

Desktop Metal ist einer der führenden Anbieter von 3D-Druck-Hardware weltweit. Das Unternehmen wurde 2015 mit dem Ziel gegründet, die damals bestehenden Komponenten der 3D-Druckbranche zusammenzuführen. Besonders bemerkenswert ist, dass das Unternehmen 438 Mio. $ an Finanzierung von Spitzeninvestoren wie Google Ventures, BMW und Ford Motor Company (F ) erhalten hat.

Der in Massachusetts ansässige Hersteller entwickelt sowohl Metall- als auch Kohlefaser-3D-Drucker für Industriekunden. Derzeit hat er Kunden bei großen Auto- und Luftfahrtunternehmen. Daher hat das Unternehmen erhebliche Anerkennung erhalten, darunter die Aufnahme in die Liste der 50 intelligentesten Unternehmen von MIT Technology Review und Unterstützung durch das Weltwirtschaftsforum.

Die DM-Aktie gilt als gute Investition aufgrund der Marktposition des Unternehmens und der Expansion des Metall-3D-Drucksektors. Diese Faktoren zusammen mit der starken Unterstützung des Projekts machen Desktop Metal zu einer vielversprechenden Ergänzung mit Potenzial.

2. Eastman Chemical Company

EMN Preisdiagramm

Die Eastman Chemical Company (EMN ) liefert Chemikalien und andere Materialien, die für den 3D-Druck benötigt werden. Das Unternehmen genießt seit seiner Gründung im Jahr 1920 durch George Eastman einen Ruf für qualitativ hochwertigen Service und Produkte für Industriekunden. Heute bleibt es eine Vorreiterrolle auf dem Markt.
Besonders bemerkenswert ist, dass die Eastman Chemical Company für ihre bisherigen Leistungen mehrere Auszeichnungen erhalten hat. Zum Beispiel wurde sie 2013 vom American Chemistry Council (ACC) mit dem begehrten Preis „Responsible Care Company of the Year“ ausgezeichnet. Diese Faktoren machen die Eastman Chemical Company zu einer klugen Ergänzung für jedes ausgewogene Portfolio.

Fortschrittlicher Metall-3D-Druck – Eine einsatzbereite Technologie

Es gibt viele Gründe, warum Metall-3D-Druck die ideale Option für Weltraumreisende und Personen in schwer zugänglichen Gebieten ist. Die Fähigkeit, nahezu unbegrenzte Designs zu erstellen und zu produzieren, macht diese Werkzeuge zu einem wertvollen Asset für jede Operation. In Zukunft werden die Preise für 3D-Drucker dank weiterer Verbesserungen bei Materialien und Prozessen weiter sinken. Daher ist es ratsam, über die Entwicklungen in der 3D-Druckbranche auf dem Laufenden zu bleiben, um künftig mehr Chancen zu nutzen.

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