Ein Forschungsteam unter Federführung der Leibniz Universität Hannover hat weltweit erstmalig ein flexibles 3D-Druckverfahren zur Herstellung und Reparatur von Bauteilen mit Metallpulver in Schwerelosigkeit realisiert.

Für die Vision einer Besiedlung von Mond oder Mars müssen Fertigungsmethoden entwickelt werden, die es möglich machen, Güter für den täglichen Bedarf vor Ort und mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen zu produzieren. Trotz der enormen Herausforderungen beim Fertigen unter den Umgebungsbedingungen des Weltraums, bietet der 3D-Druck dafür vielversprechende Möglichkeiten. Bisher war die effiziente Herstellung von Metallteilen und deren Reparatur in der Schwerelosigkeit jedoch aufgrund der komplexen Pulverhandhabung eine Herausforderung.

Forschenden der Leibniz Universität Hannover ist es gemeinsam mit Partnern der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg erstmals gelungen, Werkstücke mit dem auf der Erde bewährten Verfahren des Laserauftragschweißens mit Metallpulver unter Weltraumbedingungen herzustellen. Hierbei wird das Metallpulver mittels eines Lasers zunächst aufgeschmolzen und anschließend Schritt für Schritt auf ein Substrat aufgetragen, um so das Bauteil schichtweise aufzubauen. Auf Raumfahrtmissionen könnten so beispielsweise verschlissene Teile repariert und teure Ersatzteile eingespart werden – ein wesentlicher Vorteil.

Die komplexen Bedingungen einer Weltraummission hat der Forschungsverbund wirklichkeitsnah im Einstein-Elevator simuliert. Diese weltweit einzigartige Anlage am Hannover Institute of Technology (HITec) der LUH bietet die Möglichkeit, verschiedenste Schwerebedingungen zu simulieren – von Mikrogravitation bis zu den intensiven Kräften eines Raketenstarts. Für das aktuelle Projekt wurde der Versuchsaufbau in einer abgeschlossenen Gondel aufgebaut, in der sämtliche Komponenten an die speziellen Voraussetzungen der Schwerelosigkeit, darunter der Pulverförderer und das Lasersystem, angepasst wurden. Verarbeitet wurden Titan- und Nickellegierungen, die in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet sind.

In einem nächsten Schritt wollen sich die Forschenden in Kooperation mit dem Laser Zentrum Hannover (LZH) der Verarbeitung von Mondregolith als Ausgangsmaterial widmen. Gelingt das Verfahren mit diesem grauen Staub, der auf dem Mond weit verbreitet ist, wäre das ein entscheidender Schritt hin zu einer künftigen Fertigung auf dem Mond oder sogar dem Mars.

Die Arbeit entstand im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG-Nr. 456663377) geförderten Projekts „Laserbasierte additive Fertigung von Metallteilen aus Pulvern in Schwerelosigkeit“.

10:00 Uhr           Treffen im Foyer des HITec-Gebäudes

• Begrüßung durch Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer
• Gemeinsamer Gang zum Einstein-Elevator

10:05 Uhr           Begrüßung im Vorraum zum EE durch Prof. Dr.-Ing. Ludger Overmeyer (Leiter des Instituts für Transport- und Automatisierungstechnik)

• Herzlich Willkommen im HITec am Einstein-Elevator
• Technik von Morgen: Wenn in 10-20 Jahren erste Marsmissionen stattfinden werden hier dafür technologische Grundlagen geschaffen
• Warum sind Sie heute hier? Vorstellung der Forschungsergebnisse von 3D-gedruckten Bauteilen aus Metallpulver in Schwerelosigkeit → Warum ist das generell interessant? → erstmals Ersatzteilfertigung, Reparaturen unter Weltraumbedingungen realisiert
• Im August 2024 weltweit erstmals mit Pulver in µg gefertigt
• HITec: interdisziplinäre Forschungsinfrastruktur mit einzigartigen Großgeräten
• Einstein-Elevator: Fallturm und Forschungsplattform für Experimente unter verschiedenen Gravitationsbedingungen, z.B. 0­g, Mond- oder Mars-g (Raumfahrt)
• Background des ITA's: Produktionstechnik
• Mit Einstein-Elevator einzigartige Möglichkeit beide Themen: Produktionstechnik und Raumfahrt zu kombinieren
• Historie: erste Ideen 2009 für eine Anlage mit hoher Wiederholrate zunächst für die Quantenphysik, Beginn der konkreten Planung 2011, Aufbau der Anlage ab 2017, Fertigstellung der Anlage Ende 2019, Forschungsbetrieb seit 2020

10:10 Uhr           Einordnung des Themas in der Fakultät durch Prof. Dr.-Ing. Annika Raatz (Dekanin der Fakultät für Maschinenbau)

• Raumfahrt Schlüsselthema, auch in Bundesregierung (neues Bundesministerium mit Raumfahrt im Namen)
• Ebenso wichtige Säule in beiden Clustern: QuantumFrontiers und PhoenixD
• Raumfahrtforschung in Hannover/an der LUH?
  • Quantensensorik: IQO und Partner
  • Gravitationswellen: AEI
  • Maschinenbau? Statusvergleich in Deutschland, Studenten/Drittmittel, Raumfahrt im Kontext der Produktionstechnik zukunftsweisendes Thema!
• Mit dem EE erstmalig die Möglichkeit klassische Maschinenbauthemen in neuen „Dimensionen“ zu untersuchen
• Neben 3D-Druck viele weitere Themen wie Materialwissenschaften, Optik, Pharmazie und Biomedizintechnik
• Für Studierende (seit WS 23/24) zwei neue Vorlesungen, die vermitteln sollen, wie Produktionsverfahren im Weltraum eingesetzt werden können, bzw. wie diese aufgrund der reduzierten Schwerkraft angepasst werden müssen
  • Space and Space Technologies: Grundlagen im Bereich Weltraumforschung
  • Space Production Technologies: Produktionsverfahren für den Einsatz im Weltraum

10:15 Uhr           Vorstellung der Anlage durch Dr.-Ing. Christoph Lotz (Leitung der Arbeitsgruppe am Einstein-Elevator)

• Forschung auf der Erde unter reduzierter Schwerkraft wie im Weltraum oder auf Mond oder Mars ist essentiell für zukünftige (bemannte) Weltraummissionen
• Reduzierte Schwerkraft kann auf der Erde in Falltürmen und Parabelflügen oder im Weltraum zum Beispiel an Bord der ISS erzeugt/genutzt werden
• Einstein-Elevator ist weltweit einzigartige Fallturmanlage: Wiederholrate von 100 Flügen pro Tag (in 8h), Experimentgröße von Ø1,7 x 2 m und Experimentmasse von 1.000 kg
• Weltweit ist der Einstein-Elevator die erste in Betrieb gegangene Anlage ihrer Art und von ihren Kapazitäten/Möglichkeiten bislang unübertroffen (zwei ähnliche Anlagen weltweit in Bremen und in China)
• Seit Sommer 2024 durchweg ausgebucht, Fluganzahl >5.000 Flüge (davon >2.000 dieses Jahr)
• Beschreibung der Anlage im Detail:
  • In der Gondel fliegen die Experimente
  • Gondel wird durch Linearantrieb beschleunigt
  • Linearantrieb (aus dem Achterbahnbau) regelt auf zuvor eingestellte Beschleunigung bzw. den simulierten Gravitationslevel
  • Führung des Antriebs am blauen Turm, Führung der Gondel am gelben Turm
  • Trennung der beiden Türme um Schwingungen aus Antrieb in Experiment zu verringern
  • Experimente sind wie Satelliten aufgebaut: Kommunikationsschnittstelle, eigene Spannungsversorgung, möglichst autark, Abläufe automatisiert
• Im Einstein-Elevator führen wir selbst Experimente zu unterschiedlichen Themen durch (ein paar Beispiele werden später im Nebenraum im Rahmen einer kleinen Messe vorgestellt)
• Aber auch Experimente verschiedener anderer Fachrichtungen können die Anlage nutzen
• Heute soll es aber um die Vorstellung des Projekts LMDin0g, dass Herr Raupert vorstellt

10:25 Uhr           Vorstellung des Experiments durch Marvin Raupert (Projektingenieur)

• Projektvorstellung: Laserauftragschweißen mit Metallpulver in Schwerelosigkeit
  • Untersuchung des Einflusses der Gravitation auf das Verfahren und die verwendeten Materialien
  • Mögliche Anwendungsorte: Raumstationen, Mond und Mars
  • Ziel: Das Verfahren kann zukünftig im Weltraum angewendet werden, wobei die Materialeigenschaften identisch zu den Bauteilen sind, die auf der Erde gefertigt werden.
• Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
• Gemeinsames Forschungsprojekt zwischen der Leibniz Universität Hannover und der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
• Einordnung des Laserauftragschweißens mit Metallpulver in der Additiven Fertigung
  • Ein einziges 3D-Druck Verfahren zur Fertigung, Beschichtung, Fügung, Modifizierung, Funktionalisierung und Reparatur
  • Hauptvorteil Pulver gegenüber Draht: Mögliche Verwendung lokaler Ressourcen auf dem Mond und Mars
• Komponenten des Versuchsaufbaus: Prozesskammer, Manipulator, Pulverförderer, Pneumatiksystem, Lasersystem, Energiespeicher, Kühlsystem und Kontrollsystem
  • Alle Komponenten, die für den Versuch benötigt werden, müssen mitfliegen
  • Entwicklung des Pulverförderers (Spiralkratzers) war fundamental für den Erfolg des Projektes
• Auswertungsablauf: Die in Schwerelosigkeit gefertigten Proben werden analysiert und anschließend mit den Proben, die unter Erdgravitation gefertigt wurden, verglichen.

10:35 Uhr           Wechsel in den Kontrollraum

• Erklärung allgemeiner Ablauf von Experimenten (Lotz)
• Vorführung einfaches Wasserexperiment (Lotz)
• Vorbereitung Experiment (Raupert)

10:45 Uhr           Start des Experiments, 2-3 Durchgänge

• Kommentare zu Start, Durchführung und Video-Wiederholung (Raupert)

11:00 Uhr           Verlassen des Kontrollraums/Gang in die Versuchsvorbereitung

• Öffnen der Kapsel (Raupert)
• währenddessen Präsentation weiterer Experimente in Versuchsvorbereitung
  • MAIUS-2 (Jonas Böhm)
  • AKUS (Emre Tahtali)
  • Linsen/PhoenixD (Laura Fütterer)
  • Lev4ISM (Jan Raffel)

11:15 Uhr           Präsentation der Ergebnisse/Proben des Experiments (Raupert/Lotz/Overmeyer)

• Blick in geöffnete Kammer
• Vorstellung preparierter Schliffproben
• Schliffbildanalysen
• Bisheriges Ergebnis: Erfolgreiche Demonstration des Verfahrens unter den Umgebungsbedingen des Weltraums
  • Keine signifikanten Unterschiede in Mikrostruktur und Dichte zwischen den miteinander verglichenen Proben
  • Die unter Erdgravitation gefertigten Proben besitzen eine leicht höhere Härte
• Ausblick:
  • Weitere Optimierung/Verbesserung des Versuchsaufbaus
  • Tieferes Verständnis des Einflusses der Gravitation
  • Probenfertigung mit neuen Materialien (z. B. Mondstaub)

11:30 Uhr           Möglichkeit Fragen zu stellen und anschließend Ende der Veranstaltung