Systeme zur additiven Fertigung von Raumfahrtstrukturen im Orbit (Manufacturing of Space Structures by Photopolymer Extrusion)

Abb.: Struktur des Gesamtsystems mit allen relevanten Funktionen zur Fertigung von Strukturen im Weltraum durch Photopolymerextrusion. Rechts: Bild des Strukturendrucks am Beispiel Fachwerkstruktur.

Die grundsätzliche Machbarkeit wurde bereits in Grundlagenversuchen und Analysen einzelner Teilaspekte untersucht. Nun muss im nächsten Schritt gezeigt werden, dass die Technologie auch in seiner Gesamtheit realisierbar ist. Im Projekt sollen daher die bereits Entwickelten und unter Weltraumbedingungen demonstrierte kritische Kerntechnologie der Polymerextrusion entwickelt und in einem repräsentativen Bodendemonstrator als Gesamtsystem aufgebaut und getestet werden. So soll die Machbarkeit auf Systemebene demonstriert werden und die Anwendbarkeit der Systemlösung in repräsentativer Umgebung demonstriert werden. Zudem soll die kritische Extrusionstechnologie weiterentwickelt werden, um weiteres Potential hinsichtlich der Einbettung von Verstärkungsfasern und der lokalen Verwendung verschiedener Werkstoffe zu untersuchen.

Teilziel 1: Systemdemonstration der Strukturfertigung mit allen relevanten Systemkomponenten. : Es werden Erkenntnisse zum Prozess und zu Problemen und Lösungsmöglichkeiten im Gesamtsystem gewonnen. Dadurch sollen gezielt Problemfelder, Lösungen und Redundanzmöglichkeiten identifiziert werden. Zudem wird das Zusammenspiel der einzelnen Systemkomponeten analysiert und relevanten Prozessparameter zur Überwachung und Steuerung des Fertigungsprozesses identifiziert.

Teilziel 2: Weiterentwicklung einer Technologie zur Eibettung von Verstärkungsfasern in den Extrusionsprozess. Durch die Einbringung von Fasern (im Projekt: Kohle- und Glasfasern) wird die Steifigkeit der Strukturen erheblich erhöht. Zudem lässt sich so ein Fail-Safe Verhalten realisieren, da Rissfortschreitung durch Fasern unterbrochen wird und ein plötzliches Totalversagen von Strukturen durch Sprödbruch fast ausgeschlossen werden kann. Ein weiterer Vorteil dieses Prozesses liegt in der zusätzlichen Möglichkeit, Kabel und sogar Sensoren in die Struktur einzubetten. So können auf diese Technologie aufbauend beispielsweise Bragg-Fasersensoren zur Zustandsüberwachung in die Struktur eingebettet werden.

Teilziel 3: Entwicklung einer Technologie zur lokalen Einbringung weiterer Werkstoffe. Der bisher entwickelte Prozess ermöglicht die kontinuierliche Fertigung von Strukturen mit einem Photopolymerharz. Es soll nun eine Technologie entwickelt werden, um zeitlich und räumlich begrenzt das Photopolymerharz zu wechseln und so gezielt lokal andere Materialeigenschaften zu realisieren. So können beispielsweise lokale Gelenke hergestellt werden oder Elemente mit anderen Thermooptischen Eigenschaften. Dazu soll ein Mischdüse entwickelt und Untersucht werden, die einen Zuverlässigen Wechsel der Photopolymerzuführung ermöglicht.

Teilziel 4: Wissenschaftliche Analyse des Verhaltens von flüssigen Photopolymeren in Weltraumumgebung. Von besonderem wissenschaftlichem Interesse ist in diesem Prozess auch das Verhalten von flüssigen Photopolymeren und Harzsystemen im Hochvakuum. Diese Thematik ist bisher kaum untersucht und nur sehr wenige wissenschaftliche Veröffentlichungen sind vorhanden. Im Kontext dieser Grundlagenforschung wäre auch der Übergang auf weitere Anwendungen möglich: Die entwickelten Technologien ermöglichen es neue Methoden zur Klebung und Reparatur im Weltraum zu entwickeln. So können Methoden zur Verklebung von Komponenten im Orbit und Reparaturmethoden für Strukturen für Raustationen im Rahmen von In-Orbit Servicing sowie für internationalen Explorationsmission zu Mond und Mars entwickelt werden.

Teilziel 5: Wissenschaftliche Analyse der gefertigten Polymerstrukturen. Die gefertigten Strukturen werden hinsichtlich mechanischer Eigenschaften wie Festigkeit und Elastizität untersucht und mit Vergleichsproben verglichen. Besonders die Unterschiede der Eigenschaften sowie deren Streuung erlauben Schlüsse zur Qualität und Zuverlässigkeit des Prozesses. Zudem werden die strukturellen Eigenschaften wie Fehlstellen, Abweichungen von Wandstärken, Blasen und Einschlüsse ausgewertet. Zudem wird das Verhalten der gehärteten Strukturen im Vakuum untersucht. So lässt sich auch ein Rückschluss auf die Prozessparameter ziehen um diese zu optimieren.