Die Vorteile des 3D-Drucks sind gut dokumentiert. Mit dieser Technologie können Produkte direkt dort hergestellt werden, wo sie benötigt werden. Sie hilft, Effizienzprobleme zu lösen und Lieferketten reibungsloser zu gestalten. Dadurch können der Ressourcen- und Zeitaufwand für die Fertigung erheblich sinken.
Raketenunternehmen setzen seit fast einem Jahrzehnt auf 3D-Druck, offiziell additive Fertigung genannt. Den Anfang machte SpaceX 2013 mit der Entwicklung eines 3D-gedruckten Bauteils für den SuperDraco Raketenmotor.
Dieser Artikel zeichnet die Geschichte des 3D-Drucks bei New-Space-Unternehmen nach. Gegen Ende betrachten wir außerdem ein weiteres fortschrittliches Fertigungsverfahren, das diese Unternehmen einsetzen: Hochdruck-Druckguss.
Was bedeutet 3D-Druck?
Zunächst eine kurze Erinnerung daran, was die 3D-Drucktechnologie umfasst. Eine Definition findet sich am besten bei den Experten für 3D-Druck: Autodesk.
Autodesk definiert 3D-Druck als „ein Verfahren, bei dem physische Objekte auf Grundlage eines digitalen Modells durch schichtweises Auftragen von Material entstehen“. Dieselbe Quelle ergänzt, dass sich mit 3D-Druck alles von Prototypen und einfachen Teilen bis zu hoch technisierten Endprodukten herstellen lässt, etwa Flugzeugteile, umweltfreundliche Gebäude, lebensrettende medizinische Implantate und sogar künstliche Organe aus Schichten menschlicher Zellen.
Autodesk unterscheidet drei Hauptverfahren für die Fertigung von Produkten im 3D-Druck:
Fused Filament Fabrication (FFF): Dieses Verfahren wird vor allem für Konsumgüter verwendet. Kunststoff wird erhitzt und schichtweise extrudiert, bis das gewünschte Produkt entsteht. Es ist auch als Fused Deposition Modeling (FDM) bekannt.
Stereolithografie (SLA): UV-Licht härtet flüssiges Kunstharz Schicht für Schicht aus.
Selektives Lasersintern (SLS): Pulverförmige Werkstoffe werden Schicht für Schicht mithilfe eines Lasers verschmolzen.
Warum Raumfahrtunternehmen zunehmend auf 3D-Druck setzen
Der Anbieter von Software für die additive Fertigung AMFG gibt Einblicke in die Auswirkungen des 3D-Drucks auf die Raumfahrt. Das Unternehmen weist darauf hin, dass „Raumfahrzeughersteller vor der Herausforderung stehen, die Entwicklung und Produktion von Raketen zu beschleunigen und gleichzeitig Kosten zu senken und die Effizienz zu erhöhen“.
AMFG erklärt, dass die traditionelle Raketenfertigung mehrere Prototypenzyklen und Produktionsphasen umfasst und dadurch teuer und zeitaufwendig ist. Laut derselben Quelle kann die additive Fertigung die Herstellungszeit für Bauteile von herkömmlich 14 Wochen auf wenige Wochen verkürzen. Das spart den Herstellern erheblich Zeit und Kosten.
Der 3D-Druck gewährleistet außerdem die Präzision der Bauteile – eine Herausforderung bei traditionellen Fertigungsverfahren.
Das erste 3D-gedruckte Bauteil im Weltraum
Elon Musk gründete SpaceX im Jahr 2002. Sein Ziel war es, die Kosten für Raumflüge zu senken, damit Menschen eines Tages den Mars besiedeln können. Laut SpaceX sollte dies durch den Einsatz „vollständig wiederverwendbarer Trägerraketen erreicht werden, die leistungsstärksten ihrer Art, die Menschen zum Mars und zu anderen Zielen im Sonnensystem bringen können“.
Am 5. September 2013 kündigte Musk in einem Tweet an: „Die regenerativ gekühlte Inconel-Raketenkammer des SpaceX-SuperDraco kommt aus dem EOS-Metall-3D-Drucker.“
Space.com, eine Quelle für Nachrichten aus Raumfahrt, Innovation und Astronomie, berichtet, dass „SpaceX Anfang dieses Jahres [2014] sein erstes 3D-gedrucktes Bauteil ins All schickte“. Die Quelle ergänzt: „Das Bauteil, ein Hauptoxidationsventil für einen Raketentriebwerk, flog beim Start einer Falcon-9-Rakete von SpaceX am 6. Januar mit. An Bord befand sich der kommerzielle Telekommunikationssatellit Thaicom 6.“
Dass das Ventil auch unter anspruchsvollen Bedingungen, darunter extrem niedrigen Temperaturen, zuverlässig funktionierte, bestätigte die Praxistauglichkeit des 3D-Drucks für Raketenteile.
SpaceX nutzt 3D-Druck auch zur Herstellung weiterer Ausrüstungsteile wie Helmen. Laut Laut 3Dnatives.com verfügt „jeder Helm über ein Visier, Ventile, Verschlüsse und Mikrofone“.
Blue Origin investiert stark in den 3D-Druck
Blue Origin ist ein Luft- und Raumfahrtunternehmen, das vom Amazon-Gründer Jeff Bezos ins Leben gerufen wurde. Das Unternehmen wurde im Jahr 2000 in Kent im Bundesstaat Washington gegründet. „Wir wollen einen Weg ins All schaffen, damit unsere Kinder die Zukunft gestalten können“, heißt es im Leitbild.
Blue Origin erklärt außerdem, das Leitbild durch die Entwicklung „teilweise und vollständig wiederverwendbarer Trägerraketen“ umzusetzen, die sicher und kostengünstig sind und die Anforderungen ziviler, kommerzieller und militärischer Kunden erfüllen.
Eine wichtige Voraussetzung dafür, dass kostengünstige und sichere Raumfahrtprodukte von Blue Origin zum Standard werden, ist der 3D-Druck. 3DPrintingIndustry.com zitiert den Blue-Origin-Präsidenten Rob Meyerson, der sagt, sein Unternehmen habe „erheblich in den 3D-Druck investiert“. Er ergänzt: „Wir setzen voll auf neue Technologien und nutzen ihre Möglichkeiten umfassend. “
3DPrintingIndustry.com berichtet außerdem, Meyerson habe in einer Präsentation die Zeit- und Kostenvorteile des 3D-Drucks gegenüber traditionellen Gießverfahren veranschaulicht. Er zeigte darin ein Bauteil, dessen Herstellung im 3D-Druck 3 Monate dauerte. Mit traditionellen Gießverfahren hätte dasselbe Teil mehr als 12 Monate benötigt.
Der 3D-gedruckte Motor, der die erste Frau auf die Mondoberfläche bringen soll
Im Dezember 2020 berichtete 3Dprint.com, dass „Blue Origin einen dreistufigen Lander entwickelt hat, der bis 2024 die erste Frau und den nächsten Mann auf die Mondoberfläche bringen könnte“.
Besonders bemerkenswert ist, dass der BE-7-Motor des Mondlandesystems mithilfe des 3D-Drucks gefertigt wurde. Bezos bestätigte dies mit den Worten erklärt: „Der BE-7 ist ein leistungsstarker, additiv gefertigter Flüssigwasserstoff-/Flüssigsauerstoff-Mondlandemotor mit 10.000 lbf Schub. Er lässt sich bis auf 2.000 lbf drosseln, damit eine präzise Landung auf dem Mond möglich ist.“
Doch damit nicht genug. Bezos nutzte ein Instagram-Video mit der Ankündigung: „Das ist der Motor, der die erste Frau auf die Mondoberfläche bringen wird.“ Laut der Washington Post war damit Wally Funk gemeint, die 1961 ihre Chance auf einen Raumflug verlor, weil „die NASA kein Astronautinnenprogramm hatte“.
Funk landete möglicherweise nicht auf dem Mond, bekam aber am 20. Juli 2021 schließlich die Gelegenheit zu einem Raumflug. Sie war damals 82 Jahre alt und gehörte zu den drei Passagieren, die Bezos auf einem Flug mitnahmen, den Blue Origin als „ersten bemannten Flug“ bezeichnete.
Eine vollständig 3D-gedruckte Rakete in den Orbit bringen
Relativity Space ist ein 2015 gegründetes Raumfahrtunternehmen. Das Unternehmen hat sich zum Ziel gesetzt, „als erstes Raumfahrtunternehmen eine vollständig 3D-gedruckte Rakete erfolgreich in den Orbit zu bringen“.
Doch was bedeutet „vollständig 3D-gedruckte Rakete“ konkret? Denrie Perez, Autorin bei Engineering.com, liefert die Antwort: „Von den Triebwerken bis zum Rumpf automatisiert Relativity fast den gesamten Fertigungsprozess.“
Perez ergänzt, dass der 3D-Druck Relativity schnelle Konstruktionsänderungen ermöglicht. Um mit Wettbewerbern wie SpaceX mitzuhalten, setzt das Unternehmen laut ihr auf individuelle Anpassungen: „Durch den 3D-Druck könnte das Unternehmen Kapseln wiederholt so verändern, dass sie für jeden Satellitentyp geeignet sind.“
Forbes.com zitiert den Relativity-CEO Tim Ellis. Er sagt: „Mit dem 3D-Druck können wir Raketen schneller und in einer kleineren, schlankeren Fabrik mit weniger Prozessschritten herstellen.“
Am 8. Juni 2021 berichtete Fox Business Alex Knapp von Forbes.com, Relativity habe in einer Serie-E-Finanzierungsrunde 650 Millionen US-Dollar aufgenommen. Er schreibt, das Kapital solle „die Entwicklung der Terran-R-Rakete des Unternehmens beschleunigen. Sie wird vollständig im 3D-Druck hergestellt und kann größere Nutzlasten befördern als Elon Musks Falcon 9“.
Weitere Raumfahrtunternehmen, die den 3D-Druck nutzen
Angesichts der Vorteile des 3D-Drucks in der Raumfahrt überrascht es nicht, dass nahezu jedes ernstzunehmende Raumfahrtunternehmen Bauteile mit dieser Technologie fertigt.
Michael Petch berichtet für 3DPrintingIndustry.com, der Präsident und CEO von Virgin Galactic, George Whitesides, habe ihm in einem Interview mitgeteilt, das Ziel des Unternehmens sei es, „die Fertigungszeit für unsere Triebwerke von vielen Monaten auf schließlich nur noch wenige Wochen zu verkürzen“. Petch zufolge werde der 3D-Druck dabei eine wichtige Rolle spielen.
Rocket Lab ist ein Raumfahrtunternehmen, das vom MIT Technology Review als „das kleine Unternehmen, das die 3D-Druck-Revolution in der Raumfahrt ausgelöst hat“ beschrieben wird. Peter Beck gründete das Unternehmen im Jahr 2006.
Der MIT Technology Review berichtet: „Sechs Raketen von [Rocket Lab] sind bisher erfolgreich gestartet. Jede war mit neun Rutherford-Triebwerken ausgestattet, die überwiegend im Metall-3D-Druck gefertigt werden – ebenso wie zahlreiche weitere Komponenten an Bord.“
Gibt es auch Platz für andere Verfahren?
Obwohl junge Raumfahrtunternehmen die 3D-Technologie vorantreiben, haben auch seit Langem bewährte Verfahren in der Branche weiterhin ihren Platz.
Ein Beispiel für ein seit vielen Jahren eingesetztes und nach wie vor relevantes Verfahren ist Kunststoffspritzguss.
Dass diese Verfahren weiterhin Zukunft haben, zeigt eine aktuelle Stellenausschreibung von SpaceX: Das Unternehmen sucht Ingenieure und Techniker mit Kenntnissen in einschlägigen Technologien.
In der Anzeige heißt es, dass die Ingenieure und Techniker „eng mit unseren Entwicklungsteams zusammenarbeiten, um in der frühen Phase die Entwicklung und Inbetriebnahme von Anlagen für den Hochdruck-Druckguss voranzutreiben und die Entwicklung von Aluminium-Druckgusswerkzeugen im Unternehmen voranzutreiben“.
Die Aktivitäten und Investitionen junger Raumfahrtunternehmen zeigen deutlich, dass der 3D-Druck eine wichtige Rolle in der Zukunft spielen wird. Für Organisationen wie die NASA kann der 3D-Druck die Herausforderung lösen, Ersatzteile zur Internationalen Raumstation zu transportieren: Einige davon könnten direkt auf der ISS hergestellt werden.
