Ein Team von Forschern aus Australien und China hat gemeinsam den Einsatz von FDM-3D-Druck im Weltraum zur Reparatur von Satelliten untersucht. Gelingen soll dies mithilfe des neuen „Fuzzy-PI-Steuermoduls“. Wir stellen die Arbeit der Wissenschaftler einmal genauer vor.

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Ein Team von Ingenieuren der University of Sydney und der University of Science and Technology of China hat einen 3D-Drucker entwickelt, mit dem das Verarbeiten von PEEK bei hohen Temperaturen unter simulierten Weltraumbedingungen gelingen soll. Dem Team zufolge ist damit der FDM-3D-Druck von Ersatzteilen für PEEK-Satelliten im Orbit möglich. Die fehlende Wärmeübertragung im Weltraum würde jedoch zu einer Überhitzung der derzeitigen Systeme führen. Der 3D-Drucker ist mit Proportional-Integral-(PI)-Controllern ausgestattet, der bei bis zu 400 °C im Vakuum betrieben werden kann. Damit wäre er ideal für künftige Orbitalreparaturmissionen. Ihre Arbeit veröffentlichten sie in einem Artikel mit dem Titel „Extrusion and Thermal Control Design of an On-orbit 3D Printing Platform“ im Fachjournal Advances in Space Research.

On-Orbit-Fertigung mit 3D-Druck

Seit nunmehr siebzig Jahren werden Satelliten in die Erdumlaufbahn geschickt, die z.B. wichtig für die Kommunikation und Navigation auf festem Boden sind. Satellitenausfälle könnten verhindert werden, indem sie über eine „On-Orbit-Fertigung“ gewartet werden können. Das ist weniger kostspielig, als Raketen mit Reparaturausrüstung in den Orbit zu schicken.

Forscher aus China und Australien gehen davon aus, dass die Kosten für die Fertigung im Orbit bis 2030 auf immer noch 6,2 Mrd. USD (5,5 Mrd. EUR) steigen werden. Damit Luft– und Raumfahrtunternehmen ihre Ausgaben reduzieren können, hat das Forscherteam vorgeschlagen, die Technologie im Weltraum und auf bemannten Raumfahrzeugen einzusetzen. Sie halten den FDM-3D-Druck aufgrund des fehlenden Lasers und der Abhängigkeit von leicht lagerbaren Filamenten sowie der Kompatibilität mit robusten Materialien wie PEEK ideal. Aktuelle Systeme könnten aber wegen der übermäßig geschmolzenen Filamente anfällig für Materialstaus im Weltraum sein.

Die Forscher wollen den orbitalen 3D-Druck rentabler machen und ein 3D-Druck-System mit verbesserter thermischer Steuereinheit entwickeln. Diese sollen auf den Satelliten landen und anschließend mit Roboterarmen beschädigte Teile ersetzen. Der erste Prototyp basiert auf einer Standard-FDM-Architektur, komplett mit Heizstab, Block, Senke, Riemen, Extruder und Kühler.

Grafik zum 3D-Druck-System
Mit dem 3D-Druck-System der Forscher soll die On-Orbit-Fertigung von Ersatzteilen für Satelliten gelingen (im Bild: Grafik zum 3D-Druck-System)(Bild © Advances in Space Research).

FDM-3D-Druck im Weltraum

Um die Maschine bewerten zu können, führten sie einige PEEK-Drucksimulationen durch. Es zeigte sich, dass mehr Wärmebrücken zwischen Kühlkörper und dem Gerätekühler die effektivere Regelung der Temperatur des Zentralrohrs ermöglicht. Der Rückfluss geschmolzener Filamente würde so verhindert werden.

Die Forscher entdeckten außerdem, dass sich durch den Druck bei reduzierter Schwerkraft Material am Innenrohr eines Systems festsetzt, die Reibung erhöht und möglicherweise Extrusionsblockaden erzeugt werden. Sie modifizierten diesen Abschnitt und entwickelten ein Design, das für eine verbesserte Wärmeleitungseffizienz sorgt und bei einer Temperatur von bis zu 400°C funktioniert.

Anhand eines mathematischen Modells demonstrierten sie die Vorteile der Einführung des „Fuzzy-PI-Steuermoduls“. Das Gerät ist so konzipiert, dass es bei Temperaturen von 380°C einsetzt. Das verbessert die Präzision der thermischen Kontrollfunktionen und reduziert das Risiko von Überhitzung und Reparaturfehlern. Jetzt wollen sie einen funktionierenden Prototyp in einer physikalischen Vakuumkammer testen.

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