DLR entwickelt 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt weiter
2. August 2023 | Raumfahrtantriebe mit Zukunft: Auf das Fertigungsverfahren kommt es an
DLR entwickelt 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt weiter
Test der im 3D-Druck gefertigten Brennkammer am Prüfstand P8 beim DLR in Lampoldshausen
Mit Hilfe von Tests konnte das Team zeigen, dass die neue Bau- und Funktionsweise der im 3D-Druck gefertigten Brennkammer großes Potenzial hat. Ziel ist es, diese Technologie zügig in die industrielle Anwendung zu bringen.
Einblick in den Entwicklungsprozess der 3D-gedruckten Brennkammer
Bevor die 3D-gedruckte Brennkammer in einem Stück bei einem Industrieunternehmen gefertigt werden kann, werden in DLR-Labordruckern kleinere Versionen (hier im Bild) bis zu 30 Zentimeter Größe entwickelt und geprüft. Die Fertigung der finalen Brennkammer in einem Stück dauerte zweieinhalb Wochen.
Auch wenn virtuelle Testverfahren in der Raumfahrt zunehmen – reale Testläufe von Raumfahrtantrieben können sie dennoch nicht völlig ersetzen. Darum unterhält das DLR am Standort in Lampoldshausen eine umfangreiche Infrastruktur für Raumfahrtantriebe jeglicher Spezifikation.
Der Wettbewerb auf dem Raumfahrtmarkt stellt neue Anforderungen an die Trägertechnologie, insbesondere bei den Themen Kostenreduktion und Wiederverwendbarkeit.
DLR-Projekt 3D-LoCoS zeigt, dass die additive Fertigung künftig eine große Rolle für Raumfahrtantriebe spielen kann.
Auf dem europäischen Forschungs- und Technologieprüfstand P8 in Lampoldshausen absolvierte die im 3D-Druck gefertigte Brennkammer erfolgreich Heißlauftests.
Maximale Sicherheit, hohe Leistung, lange Lebensdauer – das sind wichtige Anforderungen, die Raumfahrtantriebe erfüllen müssen. Derzeitigen Antriebstechnologien gelingt dies bereits. Doch wie sieht es mit der Kostenreduktion und Wiederverwendbarkeit aus? Das sind bedeutende Kriterien, um wettbewerbsfähig zu sein. Diese Parameter haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Projekt „3D-LoCoS – 3D Printing for Low-Cost Space Components“ im Blick. Schwerpunkt ist die Weiterentwicklung und Anwendung der metallischen additiven Fertigung, also von 3D-Druck-Verfahren. Damit können Technologiedemonstratoren für Raumfahrtkomponenten kostengünstiger und schneller hergestellt werden.
Kostensenkung als Wettbewerbskriterium in der Raumfahrt
„Neue Fertigungsverfahren sind der Schlüssel zu mehr Kosteneffizienz und ebnen den Weg für wiederverwendbare Trägertechnologien“, unterstreicht Dr. Jan Haubrich, Projektleiter aus dem DLR-Institut für Werkstoff-Forschung. Im Projekt 3D-LoCoS arbeiten interdisziplinäre Teams aus dem Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie, dem Institut für Raumfahrtantriebe, dem Institut für Softwaretechnologie und dem Institut für Werkstoff-Forschung des DLR zusammen. Ziel ist es, die Möglichkeiten durch das additive Fertigungsverfahren „Laser Powder Bed Fusion“ (LPBF) zu erweitern. Das Pulverbettverfahren LPBF eignet sich dabei für besonders komplexe oder filigrane Strukturen.
„Speziell für das additive LPBF-Fertigungsverfahren haben wir eine Brennkammer mit einem besonderen regenerativen Kühlkonzept designt und entwickelt“, sagt Dr. Dmitry Suslov vom DLR-Institut für Raumfahrtantriebe. Dabei macht eine Legierung aus Kupfer, Chrom und Zirkon das Material der Brennkammer hochwärmeleitend und temperaturfest.
Neues Fertigungsverfahren auf dem Prüfstand P8
Bei Heißlauftests am Forschungs- und Technologieprüfstand P8 in Lampoldshausen hat sich gezeigt, dass sowohl die Konstruktion als auch das Fertigungsverfahren der im 3D-Druck hergestellten Brennkammer mit 25 Kilonewton Schub erfolgreich waren. „Mit sechs Heißlauftests konnten wir zeigen, welch großes Potenzial die neue Bau- und Funktionsweise der im 3D-Druck gefertigten Brennkammer mit sich bringt“, sagt Dmitry Suslov. „Jetzt möchten wir diese Technologie zügig in die industrielle Anwendung bringen. Die Testreihe hat bewiesen, dass die additive Fertigung einen breiten Spielraum für das Design und die Konstruktion der Triebwerkskomponenten bietet.“ Auch innovative Designmethoden auf Basis von künstlicher Intelligenz (KI) sind während des gesamten Projektes zum Einsatz gekommen – von der Auslegung der Brennkammer bis zum Test auf dem Prüfstand.
Die Brennkammer wird durch das durchströmende Methan zunächst vorgekühlt. Dadurch kondensiert Luftfeuchtigkeit und es bildet sich Eis auf der Brennkammer. Die Kühlung beginnt im Düsenhals und geht stromaufwärts zum Einspritzkopf. Bei Zündung der Brennkammer wird Wärme ins Kühlmedium transferiert und das Eis schmilzt und verdampft.
Video: Test der 3D-gedruckten Brennkammer mit der Treibstoffkombination aus Flüssigsauerstoff und -methan
Für die Wiedergabe dieses Videos auf Quickchannel.com ist Ihre Zustimmung zur Speicherung von Daten ('Cookies') erforderlich. Unter Datenschutz-Einstellungen können Sie Ihre Wahl einsehen und verändern.
Video: Test der 3D-gedruckten Brennkammer mit der Treibstoffkombination aus Flüssigsauerstoff und -methan
Die Brennkammer wird durch das durchströmende Methan zunächst vorgekühlt. Dadurch kondensiert Luftfeuchtigkeit und es bildet sich Eis auf der Brennkammer. Die Kühlung beginnt im Düsenhals und geht stromaufwärts zum Einspritzkopf. Bei Zündung der Brennkammer wird Wärme ins Kühlmedium transferiert und das Eis schmilzt und verdampft.
„Additive Fertigungsverfahren erlauben eine völlig andere Herstellungsweise von Komponenten und sind eine recht junge Technologie im Vergleich zu den meisten anderen Metallverarbeitungsverfahren“, sagt Jan Haubrich und verweist auf gute Zukunftsaussichten: „Insbesondere bei komplexen Designs können Komponenten kostengünstiger und schneller gedruckt werden“. Allerdings verhalten sich additiv gefertigte Werkstoffe anders als herkömmlich verarbeitete Werkstoffe. Daher sind weiterführende Tests und die weitere Technologieentwicklung notwendig. Nachfolgevorhaben sollen die Kupferbrennkammer mittels KI zur Flughardware weiterentwickeln. Zugleich sollen Kooperationsprojekte den Transfer in die Industrie stärken.
Der Weg zur Brennkammer
Dass die Brennkammer im 3D-Druck hergestellt werden soll, steht schon während der Designphase im Fokus. Denn durch das LPBF-Verfahren ergeben sich neue Anforderungen, die zum Beispiel die Auslegung betreffen. Eigenschaften wie die Gasdichtheit, Geometrietreue und Oberflächenrauheit sind maßgebend für die Auslegung. Deswegen haben die Forschenden zunächst untersucht, ob das neue Brennkammerdesign überhaupt 3D-druckfähig ist. Die LPBF-Prozess- und Fertigungsstrategie wurde anhand von Materialuntersuchungen und Prototypen validiert. Dies ermöglichte im Anschluss die Fertigung der Brennkammer in einem ganzen Stück auf einer Fertigungsanlage, deren besondere Baugröße es ermöglicht, die Brennkammer mit einer Länge von mehr als 60 Zentimetern am Stück herzustellen.
Kontakt
Anja Kaboth
Kommunikation Lampoldshausen
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Kommunikation
Im Langen Grund, 74239 Hardthausen
Tel: +49 6298 28-201
Dr. Jan Haubrich
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Werkstoff-Forschung
Metallische Strukturen und hybride Werkstoffsysteme
