Das Team aus Forschern von AIMIS-FYT hat den 3D-Druck in der Schwerelosigkeit untersucht. Dabei konnten sie verschiedene Grundoperationen in 90 Parabeln erfolgreich testen. Außerdem hatten sie die Gelegenheit, den 3D-Druck in der Mars- und Mond-Gravitation zu erforschen. Zum Einsatz kam dabei ein Standard-3D-Druckkopf vom Hersteller ViscoTec.

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Im April 2020 haben wir über das Projekt des AIMIS-FYT Teams berichtet, in dem ein Standard-3D-Druckkopf von ViscoTec zum Einsatz kommt. In diesem Projekt wurde ein 3D-Druckverfahren demonstriert, mit dem Strukturen für Solarpaneele, Antennen und andere Installationen im Weltraum entstehen können. Die Parabelflüge fanden im November 2020 mit der Europäischen Raumfahrtagentur ESA vom Paderborn-Lippstadt Flughafen aus statt. In einer Pressemitteilung, die ViscoTec an das 3D-grenzenlos Magazin gesendet hat, berichten Michael Kringer und Christoph Böhrer vom AIMIS-FYT Team über die Herausforderungen, die mit diesem Projekt verbunden waren und fassen die Ergebnisse zusammen.

3D-Druck in Schwerelosigkeit

Das AIMIS-FYT Team erklärt, dass sie mit den Ergebnissen der Parabelflüge sehr zufrieden sind. Sie hatten mit manchen Problemen zu kämpfen, konnten aber so gut wie alle Experimente wie geplant umsetzen. Es zeigte sich, dass der Druckprozess unter Schwerelosigkeitsbedingungen funktioniert.

Im Rahmen ihrer Experimente setzten sie sich mit den vier Grundoperationen auseinander: Gerader Stab, gerader Stab mit Start- / Stoppunkten, Freiformstab und Verbindungen zwischen Stäben. Indem sie die Grundoperationen abwandelten, konnten sie viele verschiedene Druckmethoden ausprobieren. Sie hatten 90 Parabeln für ihre Druckversuche zur Verfügung und haben die einzelnen Grundoperationen noch weiter abgewandelt, um verschiedene Druckmethoden auszuprobieren. Unter anderem wurden verschiedene Parameter des Druckprozesses von Versuch zu Versuch geändert, um Verschlechterungen und Verbesserungen zu erkennen.

Zu den Hauptparametern des Druckprozesses gehören die Druckgeschwindigkeit, die Extrusionsrate des Harzes, die UV-Lichtintensität und der Bewegungspfad der Düsenspitze. Neben den ViscoTec Druckköpfen haben auch Komponenten wie konische UV-blockende Dosiernadeln von Vieweg und ein Klebstoff von Delo zum Erfolg beigetragen.

Männer an 3D-Drucker
Für den 3D-Druck verwendeten sie einen Standard-3D-Druckkopf von ViscoTec (im Bild: AIMIS-FYT-Team an 3D-Drucker)(Bild © ESA).

Dokumentation und Optimierung

Der komplette Druckprozess wurde von Kameras und Sensoren überwacht. Eine Detailkamera und eine Wärmebildkamera folgten parallel der Bewegung des vipro-HEAD 5. Die hochauflösende Kamera beobachtete den Austritt des Harzes aus der Düse permanent. Die Wärmebildkamera wurde verwendet, um die exotherme Reaktion des Harzes am Düsenaustritt und entlang des Stabes zu dokumentieren.

Das Team hofft, mit den erhaltenen Daten den Druckprozess besser regeln und optimieren zu können. Alle Druckoperationen ließen sich in Schwerelosigkeit durchführen. Auf den letzten Parabeln haben sie verschiedene Grundoperationen kombiniert und so ein kleines Fachwerk, bestehend aus fünf Stäben, erfolgreich gedruckt. Freischwebende Stäbe wurden ebenfalls gedruckt. Hierbei erwies sich der Druckprozess ohne Druckplatte als Fixpunkt als instabil und sehr störanfällig. Kleinste Abweichungen in der Mikrogravitation wirkten sich sofort auf die Extrusionsrichtung des Harzes aus der Düse aus. Für diese Druckoperation wird noch ein stabileres Verfahren entwickelt.

Simulationsflüge für Mond- und Mars-Gravitation

Außerdem hatten sie die Gelegenheit, Simulationsflüge für Mond- und Mars-Gravitation zu erleben und konnte dabei 90 weitere Parabeln für die gleichen Experimente unter diesen Bedingungen durchführen. Alle Experimente ließen sich bei jeder Gravitation gut umsetzen.

Es zeigte sich, dass sich in der Schwerelosigkeit Überhänge leichter drucken lassen, da die Anziehungskraft fehlt. Die freischwebenden Stäbe lassen sich hingegen am besten bei geringer Gravitation (Mond) erzeugen. Hier ist die Anziehungskraft zwar sehr gering, aber der Stab wird durch eine definierte Anziehungsrichtung stabilisiert.

Team von AIMIS-FYT
Das Team von AIMIS-FYT (im Bild) konnte in 90 Parabeln den 3D-Druck in der Schwerelosigkeit testen (Bild © AIMIS-FYT).

Das AIMIS-FYT Team wird sich weiter mit der Grundlagenforschung wie dem 3D-Drucker-Material auseinandersetzen, um die Prozesse zu optimieren.

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