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Generativer 3D-Metalldruck

3D-gedruckt für den Orbit

| Redakteur: Luca Meister

Thales Alenia Space und Poly-Shape bauen das grösste 3D-Metalldruckbauteil Europas für Satelliten. Das pulverbettbasierte Laserschmelzen kam dabei zum Einsatz. Florence Montredon, Additive Manufacturing Technology Development Manager bei Thales Alenia Space, und Stéphane Abed, CEO der Poly-Shape SAS, berichten im SMM-Interview über das spektakuläre Projekt.

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Leichtbau im All: «Koreasat-5A».
Leichtbau im All: «Koreasat-5A».
(Bild: Thales Alenia Space)

Additive Manufacturing macht mehr als nur Schlagzeilen. Die industrielle Revolution des 3D-Metalldrucks setzt Zeichen der Veränderung von Fertigungsstrategien. Und es werden Fakten geschaffen, die einen prinzipiellen Paradigmenwechsel für die Fertigung von Metallteilen ankündigen. AM setzt in der Substitution oder als hybride Strategie mit konventionellen Methoden der Zerspanung Akzente.

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Im Projekt „Koreasat-5A” und „Koreasat-7” wurde die Machbarkeit von hoch anspruchsvollen und sehr großen AM-Teilen für Anwendungen im Weltraum aufgezeigt. Das Redesign als generatives, bionisches Bauteil erlaubte es, die Teileanzahl von neun auf eins zu reduzieren. Der Herstellungsprozess konnte dank des Verfahrens in einem Schuss, also ohne den bisherigen Montageaufwand, gefertigt werden. Es ergab sich auch ein deutlich verbessertes Leichtbaupotenzial. 22 Prozent der Masse konnten mit dieser AM-Lösung eingespart werden. Dies führte zu einem Endgewicht von nur 1,13 Kilogramm. Ein gewaltiger Sprung, wo es doch auf jedes Gramm bei solchen Anwendungen ankommt. Die 3D-Geometrie konnte optimal auf den Einsatz im Orbit hin getrimmt werden. Das Projekt zeigte anhand beeindruckender Ergebnisse die Potenziale der additiven Fertigung in der Raumfahrt auf und wird zukünftig sicher nicht das letzte dieser Art sein.

Fertigungslösungen von Concept Laser

Poly-Shape verfügt über 28 3D-Metalldruckanlagen, die verschiedene Bauraumgrössen aufweisen. Die grösste Bauraumdimension für das 3D-Drucken mit Aluminium ist derzeit eine „X Line 1000R” von Concept Laser. Sie verfügt über ein geschlossenes System für sichere Prozess- und Pulverführung entsprechend den Atex-Richtlinien. Darüber hinaus verfügt die Anlage über einen Drehmechanismus zum wechselseitigen Einsatz von zwei Baumodulen, sodass eine permanente Produktion ohne Fehlzeiten garantiert ist. Diese einmalige Anlagenkonzeption führt nicht nur zu einer höheren zeitlichen Verfügbarkeit, sondern auch zu einem einfachen und vor allem sicheren Handling beim Rüsten und Abrüsten der Maschine. Das Nachfolgemodell, die „X Line 2000R”, verfügt über einen noch großen Bauraum, der momentan weltweit einzigartig in Bezug auf das pulverbettbasierte Laserschmelzen ist. Die Verfahrenstechnik des „Lasercusing” von Concept Laser war für das Projekt von großer Bedeutung: Die Besonderheit der Anlagen von Concept Laser ist eine stochastische Ansteuerung der Slice-Segmente (auch „Islands” genannt), die sukzessive abgearbeitet werden. Das Verfahren sorgt für eine signifikante Reduzierung von Spannungen bei der Herstellung von sehr großen Bauteilen. Bei enormen Abmessungen von 447 x 204,5 x 391 mm3 liegt es auf der Hand, den Verzug maximal beherrschen zu wollen. Die X Line 1000R bietet eine ausbalancierte Temperierung des Bauraumes, um einen Verzug in den „übergroßen” Bauteilen zu vermeiden.

SMM: Frau Montredon, können Sie bitte das Projekt Koreasat-5A und -7 skizzieren?

Florence Montredon: Mit der Herstellung der Telekom-Satelliten Koreasat-5A und -7 wollten wir nachweisen, dass die Laserschmelztechnologie für unsere Anwendungen zahlreiche Möglichkeiten eröffnet. Die wesentlichen Vorzüge liegen in der kurzen Zeitachse von Konstruktion und Entwicklung bis zum fertigen Teil. Zudem in der hohen Wirtschaftlichkeit. Im Vorfeld unseres Projektes wurde zunächst ein erstes AM-Teil aus Aluminium gefertigt. Dieses Teil wurde erfolgreich im Jahr 2014 qualifiziert und für den „Turkmenalem Monacosat” im April 2015 eingesetzt. Die beiden neuen Teile für den Satelliten dienen als Basisträger der Antennen, welche zur Kommunikation mit der Bodenbasis eingesetzt werden. Sie sind ebenfalls aus Aluminium und wurden von Poly-Shape hergestellt. Die erste Herausforderung war, dass wir zwei identische Teile brauchten: Sie sind Zwillinge – einen für Koreasat-5A und den anderen Zwilling für Koreasat-7. Die zentrale Herausforderung aber war die Grösse. Im Vergleich zu unseren bisherigen Referenzen und Erfahrungen waren die Dimensionen der Teile enorm gross.

Was waren die besonderen Herausforderungen, um das größte 3D-Metallbauteil zu bauen?

Stéphane Abed: Die Fragestellungen waren zum Beispiel die Machbarkeit, Verzugsneigung, Geometrie oder auch das Gewicht. Mit CAE/CAD-Werkzeugen zur Optimierung gelang es den Konstrukteuren, das Design, also die Geometrie, verfahrensgerecht zu optimieren und gleichzeitig Gewicht einzusparen und die Belastungsanforderungen zu erfüllen. Die Konstrukteure haben einen sehr guten Job gemacht. Das finale Design wurde dann in enger Zusammenarbeit und Interaktion von Thales Alenia Space und Poly-Shape für die Fertigung in zahlreichen Stufen des Redesigns optimiert und feinjustiert. Wir sprechen hier von einer bionisch optimierten Konstruktion.

Florence Montredon: Der Antennenträger wurde dann spezifischen Bodentests unterzogen. Dazu zählen Vibrationstest und hohe Temperaturen im Vakuum, um eine geforderte Lebensdauer von 15 Jahren im Orbit zu testen.

Welche Erfahrungen haben Sie im Projekt mit dem Laserschmelzen im Vergleich zu den bisherigen Fertigungsstrategien gemacht?

Florence Montredon: Die pulverbettbasierte Laserschmelztechnologie eignet sich zur Optimierung des Designs und ermöglicht eine signifikante Einsparung an Gewicht. Und Gewichtsreduktion ist für uns eine der wichtigsten Zielvorgaben. Die tatsächlichen Kosten, um ein Kilogramm in den Orbit zu bringen, liegen als Daumenwert bei rund 20 000 Euro. Das Weltraumrecht ermutigt uns, auch die Menge an metallischen Werkstoffen in Flugobjekten zu verringern, weil sie eine Gefahr von Emissionen beim atmosphärischen Wiedereintritt des Satelliten darstellen. Es geht also um Leichtbau, Nachhaltigkeit und einen Beitrag zum Umweltschutz. Natürlich erwarten wir von diesen Technologien auch Kostenreduzierungen und Vorteile im knappen Zeitplan von Weltraummissionen. Wir haben im Projekt ein Kosteneinsparungspotenzial von rund 30 Prozent gegenüber der bisherigen konventionellen Lösung mit Montage ermittelt.

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