Laserbasierte additive Fertigung von Metallteilen aus Pulvern in Schwerelosigkeit
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Erforschung additiver Fertigungstechnologien unter den extremen Bedingungen des Weltraums bildet eine wesentliche Grundlage für die Umsetzung zukünftiger Raumfahrtmissionen. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen dieses Forschungsprojektes erstmals das Laser Powder Directed Energy Deposition (LP-DED) Verfahren in Mikrogravitation (µg) untersucht. Das Verfahren ermöglicht die additive Fertigung komplexer Bauteile sowie die Beschichtung, Fügung, Modifizierung, Funktionalisierung und vor allem Reparatur bestehender Bauteile mit hoher Präzision. Dadurch können bei Raumfahrtmissionen der Materialtransport und die Versorgung mit Ersatzteilen von der Erde erheblich reduziert werden. Im Vergleich zu dem leichter handhabbaren, drahtbasierten DED-Verfahren weist der pulverbasierte Prozess, insbesondere im Kontext der In-Space Manufacturing (ISM), den wesentlichen Vorteil auf, dass Materialien, die auf dem Mond, Mars und Asteroiden vorhanden sind, in-situ genutzt werden können. Um den Einfluss der Gravitation auf das LP-DED Verfahren und die verwendeten Materialien zu erforschen, werden die Proben sowohl im Labor unter 1 g als auch im Einstein-Elevator in µg gefertigt und anschließend miteinander verglichen. Der Einstein-Elevator ist ein aktiv angetriebener Fallturm der Leibniz Universität Hannover (LUH), der Experimente unter variablen Gravitationsbedingungen von Mikrogravitation mit einer Dauer von 4 s bis hin zu Hypergravitation (bis zu 5 g) ermöglicht. Im Rahmen des Projekts wurden zwei wesentliche Ziele erreicht: Zum einen die Entwicklung eines neuartigen gravitationsunabhängigen Pulverförderers und zum anderen die Entwicklung eines Versuchsaufbaus zur Erzeugung eines stabilen und reproduzierbaren Schmelzprozesses über das LP-DED Verfahren im Einstein-Elevator. Mehrere Konzepte von Pulverförderern führten zu zwei Prototypen, bei denen der Pulvermassenstrom unabhängig vom Trägergasstrom eingestellt werden kann. Bei den gefertigten Proben kamen die in der Raumfahrt häufig eingesetzten Legierungen Ti‑6Al‑4V und Inconel 625 zum Einsatz, wobei im Rahmen der Projektlaufzeit bislang nur die Ti‑6Al‑4V-Proben ausgewertet werden konnten. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass das LP DED Verfahren nicht nur auf der Erde, sondern auch im Weltraum in µg angewendet werden kann. In Bezug auf die Gravitation zeigen die Ergebnisse keine signifikanten Unterschiede in der Geometrie, der Mikrostruktur und der Porosität. Bevor weitere detailliertere Aussagen zum Einfluss der Gravitation getroffen werden können, muss der Versuchsaufbau zunächst weiter optimiert werden. Insgesamt trägt das Projekt wesentlich zur wissenschaftlichen Grundlagenforschung im Bereich der ISM bei.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Laser Metal Deposition with Metal Powder in Microgravity. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2022, Dresden
Raupert, M.; Pusch, M.; Tahtali, E.; Sperling, R.; Heidt, A.; Lotz, C.; Katterfeld, A. & Overmeyer, L.
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Challenges in the development of the Laser Metal Deposition process for use in microgravity at the Einstein-Elevator. Lasers in Manufacturing Conference 2023
Raupert, M.; Tahtali, E.; Sperling, R.; Heidt, A.; Lotz, C. & Overmeyer, L.
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Development of a powder feeder for transporting metal powder in zero gravity. Logistics Journal: Proceedings, Nr. 20 (2024)
Pusch, M.; Hoffmann, N.; Raupert, M.; Lotz, C.; Overmeyer, L. & Katterfeld, A.
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Laser powder directed energy deposition and substrate-free single layer powder bed fusion under micro- and lunar gravity conditions. CIRP Annals, 74(1), 297-301.
Overmeyer, Ludger; Raupert, Marvin; Pusch, Matthias; Griemsmann, Tjorben; Katterfeld, André & Lotz, Christoph
