Forscher drucken mit der NASA einen Prototyp eines Mondrover-Rads in 3D

Forscher am Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums bringen in Zusammenarbeit mit der NASA die additive Fertigung auf die letzte Stufe, indem sie die gleiche Art von Rad wie das Design, das die NASA für ihren Roboter-Mondrover verwendet, in 3D drucken und so die Technologie für Spezialteile demonstrieren für die Erforschung des Weltraums benötigt.

Das additiv gefertigte Rad wurde den vorhandenen, leichten Rädern des Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) nachempfunden, einem mobilen Roboter, den die NASA im Jahr 2024 entsenden will, um Eis und andere potenzielle Ressourcen am Südpol des Mondes zu kartieren. Die Mission soll dazu beitragen, die Herkunft und Verteilung des Mondwassers zu bestimmen und festzustellen, ob von der Mondoberfläche genug Wasser gesammelt werden könnte, um die dort lebenden Menschen zu ernähren.

Der in der Manufacturing Demonstration Facility (MDF) des DOE am ORNL gedruckte Radprototyp wird zwar nicht tatsächlich für die NASA-Mondmission verwendet, er wurde jedoch so erstellt, dass er denselben Designspezifikationen entspricht wie die Räder, die für VIPER der NASA hergestellt wurden. Weitere Tests sind geplant, um die Design- und Herstellungsmethode zu validieren, bevor diese Technologie für zukünftige Mond- oder Mars-Rover verwendet oder für andere Weltraumanwendungen, beispielsweise große Strukturkomponenten, in Betracht gezogen wird.

Additive Fertigung kann den Energieverbrauch, Materialverschwendung und Durchlaufzeiten reduzieren und gleichzeitig die Komplexität des Designs und die Anpassung von Materialeigenschaften ermöglichen. MDF steht bei diesen Bemühungen an vorderster Front und entwickelt die Technologie seit über einem Jahrzehnt für eine breite Palette von Anwendungen in den Bereichen saubere Energie, Transport und Fertigung. MDF-Forscher druckten im Herbst 2022 den Rover-Rad-Prototyp am ORNL. Ein spezialisierter 3D-Drucker nutzte zwei koordinierte Laser und eine rotierende Bauplatte, um Metallpulver selektiv in die entworfene Form zu schmelzen.

Typische Metallpulverbettsysteme arbeiten schrittweise: In einer Maschine von der Größe eines Schranks wird eine Pulverschicht über eine stationäre Platte geharkt. Dann schmilzt ein Laser selektiv eine Schicht auf, bevor sich die Platte leicht absenkt und der Vorgang wiederholt. Der Drucker, der für den Rover-Rad-Prototyp verwendet wird, ist groß genug, dass eine Person hineingehen kann, und ist einzigartig in seiner Fähigkeit, große Objekte zu drucken, während die Schritte gleichzeitig und kontinuierlich erfolgen, sagte Peter Wang, der die MDF-Entwicklung neuer Laser-Pulverbett-Fusionssysteme leitet.

„Dadurch erhöht sich die Produktionsrate bei gleicher Laserleistung drastisch“, sagte er und fügte hinzu, dass die Abscheidung um 50 % schneller erfolgt. „Wir kratzen nur an der Oberfläche dessen, was das System leisten kann. Ich glaube wirklich, dass dies die Zukunft des Laser-Pulverbettdrucks sein wird, insbesondere im großen Maßstab und in der Massenproduktion.“

Wang und Mitglieder des Projektteams haben kürzlich eine Studie veröffentlicht: veröffentlicht In 3D-Druck und additive FertigungAnalyse der Skalierbarkeit der Technologie zum Drucken von Komponenten wie Elektromotoren.

Obwohl die Maschine einzigartig ist, war das Fachwissen der Forscher in der Prozessautomatisierung und Maschinensteuerung ein Schlüssel zum Erfolg des Projekts. Sie nutzten eine am ORNL entwickelte Software, um das Raddesign in vertikale Schichten zu „schneiden“ und dann die Arbeitsbelastung zwischen den beiden Lasern auszugleichen, um gleichmäßig zu drucken und so eine hohe Produktionsrate zu erreichen, indem sie eine kürzlich zum Patentschutz angemeldete Rechentechnik nutzten.

Der Radprototyp, eines der ersten vom System hergestellten Teile, zeigt den Wert der behördenübergreifenden Zusammenarbeit. „Das Projekt mit der NASA hat die Technologie wirklich vorangebracht“, sagte Brian Gibson, der Forscher, der das Rover-Rad-Projekt für ORNL leitete, und nannte es einen Meilenstein. „Es war großartig, eine Fähigkeit mit einem Entwicklungsbedarf zu verbinden, und das Team war begeistert, eine Prototypkomponente für Weltraumforschungsanwendungen herzustellen.“

Das aus einer Nickelbasislegierung gefertigte Prototyprad ist etwa 8 Zoll breit und hat einen Durchmesser von 20 Zoll – viel größer als typische Teile, die mit Metallpulverbettsystemen gedruckt werden. Dafür war die Fähigkeit erforderlich, kleine geometrische Merkmale über einen großen Arbeitsbereich verteilt zu drucken. Die additive Fertigung ermöglichte eine größere Komplexität des Felgendesigns ohne zusätzliche Kosten oder Herstellungsschwierigkeiten, sagte Gibson.

Im Vergleich dazu erforderten die vier VIPER-Räder, die nächstes Jahr durch den Mondstaub wirbeln werden, mehrere Herstellungsprozesse und Montageschritte. Die 50-teilige Felge von VIPER wird durch 360 Nietverbindungen zusammengehalten. Der Herstellungsprozess erforderte eine komplizierte und zeitintensive Bearbeitung, um den strengen Anforderungen der Mission gerecht zu werden.

Wenn NASA-Tests beweisen, dass der 3D-gedruckte Prototyp genauso robust ist wie herkömmlich gebaute Räder, könnten zukünftige Rover stattdessen eine einzige gedruckte Felge verwenden, deren Herstellung ORNL 40 Stunden dauerte. Im Rahmen des Projekts untersuchten die Ingenieure des ORNL und der NASA auch das Drucken präziser Designmerkmale wie abgewinkelte Seitenwände, eine gewölbte Form und eine wellenförmige Lauffläche, um die Steifigkeit des Rads zu erhöhen.

Diese Eigenschaften lassen sich mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer in das aktuelle VIPER-Raddesign integrieren. Obwohl der 3D-Druck ein komplexeres Speichenmuster und Speichenverriegelungsfunktionen am Rad ermöglichte, vereinfachte und reduzierte er die Kosten des Raddesigns und erleichterte die Endmontage.

„Viele dieser Radfunktionen wurden nur eingebaut, um hervorzuheben, was man mit der additiven Fertigung machen kann“, sagte Richard Hagen, Maschinenbauingenieur bei der NASA und Laborleiter für additive Fertigung am Johnson Space Center der NASA in Houston. „Damit können Sie ganz einfach Designmerkmale implementieren, die mit herkömmlichen Werkzeugen oder sogar einem traditionell bearbeiteten Teil nur schwer umzusetzen sind.“ Die Fähigkeit von ORNL, große Objekte zu drucken, zeige das Potenzial der additiven Fertigungstechnologie zur Herstellung viel größerer Roverräder sowohl für Mond- als auch für Marsmissionen, sagte Hagen.

Eine Herausforderung besteht darin, dass der Spezialdrucker nur mit bestimmten Materialien baut – in diesem Fall einer Legierung auf Nickelbasis –, sodass das 3D-gedruckte Rad 50 % schwerer ist als das VIPER-Rad aus Aluminium, obwohl es mit einer ähnlichen Dicke gedruckt wird.

Die NASA plant, die Leistung des 3D-gedruckten Rads an einem Rover zu testen, entweder im Steinhof des Johnson Space Center der NASA oder in einem riesigen „Sandkasten“ aus simuliertem Mondgestein und Mondboden in einer vertraglich vereinbarten Testanlage. Die Gutachter bewerten die Manövrierfähigkeit, den Schwenkwiderstand, den seitlichen Schlupf, das Steigen am Hang und andere Leistungskennzahlen des Rades.

Hagen sagte, die additive Fertigung biete den Vorteil schneller Designaktualisierungen als Reaktion auf Tests. Es kann auch mehr Komplexität, wie beispielsweise ein Federungssystem, integrieren, ohne dass dadurch Schwachstellen entstehen.

Hagen sagte, dass bemannte Forschungsstationen, die im Rahmen des Artemis-Programms der Agentur auf dem Mond stationiert werden, Produktionskapazitäten außerhalb des Planeten benötigen. „Es wird wichtig sein, Teile für Reparaturen im Weltraum bauen zu können, weil man einfach nicht genug Ersatzteile mitnehmen kann“, sagte er. „Pulver, Pellets oder Filamente zum Drucken lassen sich viel einfacher verpacken und würden mehr Flexibilität ermöglichen.“

„Additive Fertigung bietet die Flexibilität, dass man mit dem Ausgangsmaterial jedes benötigte Ersatzteil herstellen kann, sei es im Weltraum oder auf der Erde“, sagte Gibson. Aus diesem Grund hat die additive Fertigung großes Interesse für eine Reihe von Ersatzbedürfnissen geweckt, von schnell gefertigten Werkzeugen bis hin zu schwer zu beschaffenden Guss- und Schmiedeteilen. Für die Erforschung und Besiedlung des Weltraums könnten 3D-Drucker schließlich lokales Material vom Mond oder Mars als Ausgangsmaterial verwenden.