Leichtbau im Weltraum

Bauteile für Satelliten drucken

Im Rahmen des von der European Space Agency (ESA) geförderten Projekts „Direct Manufacturing of Structure Elements for Next Generation Platform”, kurz “NewStructure”, haben Forscher des “Direct Manufacturing Research Center” (DMRC) an der Universität Paderborn gemeinsam mit vier weiteren Partnern aus der Wirtschaft zwei Jahre lang den Einsatz des 3D-Drucks bei der Produktion von Strukturbauteilen für die nächste Satellitengeneration an realen Problemstellungen untersucht.

"Reaction-Wheel Bracket" montiert im ExoMars-Satelliten (Quelle: OHB System AG)

Hierbei standen neben dem Leichtbau zunächst drei weitere Hauptziele im Vordergrund: Abfallreduktion, Kostenreduktion, Zeitreduktion. Bei der konventionellen Produktion von hochoptimierten Strukturen mit spangebenden Verfahren wird häufig ein Vielfaches des eigentlichen Bauteilgewichts von teuren Halbzeugen abgetrennt und so zu minderwertigem Schrott verarbeitet. Der hohe Fertigungsaufwand hierbei, die Verschwendung von großen Mengen kostenintensiven Materials (z. B. hochfeste Aluminiumlegierungen, Titan) und die fehlende Möglichkeit zur Kostensenkung durch Serienproduktion für die hochspeziellen Satellitenmissionen führen zusätzlich zu hohen Preisen und langer Produktionszeit. Gerade die Strukturbauteile können meist erst nach der Entwicklung der wertbringenden Instrumente ausgelegt werden, müssen aber zuerst in den langwierigen Montage- und Prüfprozess eingebracht werden.

Mithilfe der additiven Fertigung dieser Komponenten wird nun erwartet, eine Senkung dieser vier Punkte zu erreichen. Zentral ist hierbei, die Möglichkeiten der ortsgenauen Ablage von Material anstelle der fertigungsgebundenen Entnahme von Material auszunutzen. Bei der pulverbettbasierten additiven Fertigung wird zunächst eine dünne Schicht von typischerweise 0,05 mm Dicke im Bauraum der Maschine abgelegt. In dieser Schicht wird mithilfe eines Lasers lokal das Material aufgeschmolzen, welches in dieser Schnittebene das Bauteil abbildet. Durch abkühlen und erstarren entsteht so ein erster, zweidimensionaler Schnitt des Bauteils. Im nächsten Schritt wird wieder eine Schicht aufgelegt und erneut ein Schnitt des Bauteils geschmolzen. Durch die Verbindung aller Schichten wird so Schicht für Schicht ein dreidimensionales Bauteil aufgebaut, bei dem nur die Verbindungsstellen zu anderen Bauteilen im Nachgang auf höchste Genauigkeit gefräst werden müssen.

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Simulationsmodell des Bauraums mit wirkenden Kräften und Lagerungen.

Dieses Verfahren bietet die Möglichkeit hochkomplexe Bauteile nahezu ohne geometrische Einschränkungen wie die Zugänglichkeit eines Fräskopfes zu erschaffen. Erst so sind optimale Strukturen hinsichtlich der Materialnutzung und somit dem Leichtbau für die gegebenen Belastungen möglich. Dadurch entsteht bei diesem Prozess kaum Abfall der entsorgt und bezahlt werden muss. Außerdem wird erwartet, dass durch die direkte Fertigung der CAD-Konstruktionsdaten ohne aufwendige NC-Programmierung und Verwendung von computergestützten Optimierungen eine erhebliche Zeitersparnis und so am Ende auch ein günstigeres Bauteil erreicht werden kann.

Als Beispielbauteil wurde im Projekt NewStructure ein „Reaction-Wheel Bracket“ aus dem jüngst gestarteten ExoMars-Satelliten ausgewählt. Diese Halterung dient dazu eine Schwungmasse mit Elektromotor im Satelliten zu befestigen. Diese Baugruppe wird viermal in einer bestimmten Anordnung im Satelliten verbaut und dient dazu, durch Beschleunigung der Schwungmasse eine Gegenreaktion im Satelliten auszulösen sodass sich dieser im Weltraum ausrichten lässt, ohne Treibstoff verwenden zu müssen. Mittels konventioneller Fertigungsverfahren muss für die Produktion des rund 1,1 Kilogramm schweren Bauteils ein 56 Kilogramm schwerer Aluminiumblock in über 40 Stunden gefräst werden. Besonders zeitintensiv ist hierbei die notwendige häufige Umspannung und Ausrichtung des Teils in der Fräse.

Additiv gefertiges Reaction Wheel Bracket.

Zur Neugestaltung des Bauteils wurde eine computergestützte Topologieoptimierung als automatisierte Interpretation der durch eine Finite-Elemente Methode (FEM) berechneten Ergebnisse durchgeführt. Hierzu wird ein digitales Modell des Bauteils mit allen Lagerungen, Belastungen und weiteren Anforderungen wie Eigenfrequenzrestriktionen erstellt. Der zur Verfügung stehende Bauraum wird dann in viele kleine Elemente zerlegt und iterativ auf Basis einer Spannungs- und Verschiebungsanalyse soweit reduziert, dass das verbleibende Material bestmöglich belastet und ausgenutzt wird. Als Ergebnis wird jedem Element eine bestimmt „Dichte“ oder Wichtigkeit zugewiesen.

Dieses Ergebnis kann exportiert und mithilfe spezieller 3D-Verarbeitungsprogramme nachgearbeitet werden. So entsteht ein digitales Modell einer optimalen Bauteilgeometrie mit organisch anmutenden glatten Flächen, spannungsoptimierten Übergängen und notwendigen parametrischen Elementen wie zum Beispiel Anbindungspunkten. Dieses Ergebnis wird noch einmal mithilfe der FEM analysiert und so simulationstechnisch verifiziert.

Computerrendering des finalen Designs

Im Rahmen des Projektes konnte ein computerunterunterstützter Prozess entwickelt werden, der es ermöglicht, solche strukturoptimierte Geometrien in einem Bruchteil der zuvor notwendigen Zeit zu gestalten und mithilfe der additiven Fertigung direkt im Anschluss zu „drucken“. Das endgültige Design ist noch einmal rund 60% leichter (456 Gramm), rund 40% steifer, besitzt eine 20% höhere Eigenfrequenz und kann weiterhin mit einer Abfallreduktion von 97% punkten. Auch die letzten beiden Ziele konnten mit einer Produktionszeitreduktion von 33% und einer Kostenreduktion von 53% erreicht werden. kf

Universität Paderborn, Telefon: 05251/600, www.uni-paderborn.de

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