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Mission Mars – 3D gedruckter Transporter unterstützt Forschung

DLR – Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt

Bei der Projektplanung sahen wir von Anfang an die
3D-Drucktechnologie vor. Es hat sich gezeigt, dass diese
Fertigungsform tatsächlich die günstigste, schnellste und
eleganteste Lösung ist.“
– Dr. Kaj Führer, Deutsches Zentrum für Luft und
Raumfahrt, Leiter Systemhaus Technik Süd

Weitere Informationen, wie das DLR 3D Druck im Alltag einsetzt, erfahren Sie auf der diesjährigen additiva.

https://www.additiva-messe.de/   4.+5. September 2019 in 35510 Butzbach

MISSION MARS – DIE SITUATION
Schon immer hat der Mars, der geheimnisvolle rote Planet, eine besondere Faszination
auf den Menschen ausgeübt. Zwar wurden bereits mehr als 40 Raumsonden zum Mars
geschickt, doch die Frage, ob es Leben auf unserem Nachbarplaneten gibt ist immer
noch nicht beantwortet. Der bemannte Marsflug ist auf längere Sicht ein erklärtes Ziel
der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA (Raumschiff Orion), der europäischen
Raumfahrtagentur ESA (Programm Aurora) und der russischen Raumfahrtagentur Roskosmos
– sogar Indien und China wollen kooperieren. Auch im Deutschen Zentrum für Luft- und
Raumfahrt e.V. (DLR) in Oberpfaffenhofen ist die Marsmission Gegenstand der Forschung.
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt handelt im Auftrag der Bundesregierung und
ist, im Rahmen des nationalen Raumfahrtprogramms, für die Forschung und die Beiträge
zur Europäischen Weltraumorganisation ESA zuständig. Das DLR ist Teil der HelmholtzGemeinschaft, welche die Aufgabe hat, langfristige Forschungsziele des Staates und der
Gesellschaft zu verfolgen.

KOMPLEXE, 3D-GEDRUCKTE PROTOTYPEN NACH MASS
Im Institut für Robotik und Mechatronik in Oberpfaffenhofen forscht das
Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) an Technologien für die
Erkundung des Weltraums. Auch wenn dieses Wissen primär für die Raumfahrt
entwickelt wird, hat es durchaus auch auf der Erde einen konkreten Nutzen.
So beispielsweise bei der Bergung von Menschen in schwer zugänglichen
Gebieten oder für industrielle Anwendungen.
In enger Kooperation mit dem Institut für Robotik und Mechatronik
arbeitet Dr. Kaj Führer, Leiter Systemhaus Technik Süd. Das Systemhaus
Technik ist in einer Querschnittsfunktion Ansprechpartner der forschenden
Kollegen in Sachen technischer Umsetzung von Entwicklungen. Es agiert
beratend und kennt sich mit der Konstruktion und Umsetzung mittels der
unterschiedlichsten Fertigungsmethoden bestens aus. „Prototypen sind bei
uns oft sehr komplex und entstehen am Rande des technisch Machbaren.
Deshalb ist es wichtig, die richtige Fertigungstechnologie und Material
auszuwählen, damit die gewünschte Funktionalität von Anfang an ohne
Einschränkungen gegeben ist“, so Dr. Führer. Darum fel bei ihm schnell
die Entscheidung für 3D-Druck, als seine Kollegen Dr. Stefano Seriani und
Dr. Armin Wedler mit ihm die Herstellung des Prototypen des sogenannten
TransRoPorters (TRP) – einem Erkundungsroboter für unbemannte Flüge zum
Mars – diskutierten.
Das System besteht aus zwei Komponenten. Einer beweglichen TRP RoverEinheit, die zum Navigieren in rauen und unstrukturierten Gelände entwickelt
worden ist, sowie dem Payload Module (PM). Das Payload Module ist eine
Art standardisierter Wissenschaftsträger, der bei einer Länge von rund
45 Zentimetern 15 bis 20 kg Inhalt umfasst und vielen unterschiedlichen
Zwecken dienen kann. So z. B. für die Aufbewahrung von wissenschaftlichen
Instrumenten (wie Seismographen), Ersatzteilen (wie Batterien), Hilfsmitteln
(wie Roboterarmen) sowie Kommunikationstechnologien und vielem mehr.
Was sich auf den ersten Blick nicht sehr komplex anhört, ist auf den zweiten
eine extrem anspruchsvolle Aufgabe, denn die Box muss den auf dem Mars
herrschenden Bedingungen standhalten und dabei die eigentliche Funktion
erfüllen können. Jede Box verfügt über einen standardisierten Docking-Port,
der sowohl eine physische, stabile Verbindung zum Rover ist, aber auch so
etwas wie seine Lebensader, indem er das externe System mit Energie, Daten
und auch Flüssigkeiten versorgt. Schienen an der Seite der Box sorgen für
eine zusätzliche Verbindung mit dem Rover und für einen sicheren Transport
von Materialien auch über lange Strecken auf unwegsamem Gelände hinweg.
„Damit ist das Payload Module das Herzstück des Systems, und wir brauchten
einen voll funktionsfähigen Prototypen, um alle nötigen Tests unter Belastung
durchführen zu können”, unterstreicht Stefano Seriani.

SCHNELLERE HERSTELLUNG BEI VOLLER FUNKTIONALITÄT
Falls die in Oberpfaffenhofen entwickelte Box tatsächlich mit auf die noch
nicht terminierte Marsmission fliegen sollte, wird sie wahrscheinlich aus
Aluminium bestehen. Für Test- und Demonstrationszwecke jedoch ist die im
FDM-Verfahren mit der Fortus 900mc von Stratasys 3D-gedruckte Variante
aus dem Standardmaterial ASA perfekt geeignet. „Für mich war klar, dass ein
Prototyp aus Metall zu teuer und zu aufwändig in der Herstellung ist“, erläutert
Dr. Führer. „Es war jedoch extrem wichtig, dass die Maßhaltigkeit stimmt,
so dass die Box auf die Schienen passt und vor allem der Docking-Port
funktioniert. Durch die Herstellung mit der FDM-Technologie von Stratasys
hat das Material praktisch keinen Verzug. Die Entscheidung für ASA haben wir
dabei ganz bewusst getroffen, da es vom Handling her optimal geeignet ist.“
Das Ergebnis gibt ihm Recht: Die Box konnte mithilfe von 3D-Druck nicht
nur schneller, sondern auch wesentlich günstiger produziert werden, als
es bei Metall der Fall gewesen wäre. Metall hätte man darüber hinaus
nachbearbeiten müssen – schweißen oder verschrauben – ein zusätzlicher
Aufwand, mit Mehrkosten verbunden. Die Maßhaltigkeit war bei den
3D-gedruckten Prototypen ohne Nachbearbeitung von Anfang an gegeben,
und die Box stabil genug, um die geplanten Mengen transportieren zu können.
„Bei der Projektplanung sahen wir von Anfang an die 3D-Drucktechnologie
vor. Es hat sich gezeigt, dass diese Fertigungsform tatsächlich die günstigste,
schnellste und eleganteste Lösung ist“, freut sich Dr. Führer. „Alle Beteiligten
sind zufrieden mit diesem Ergebnis.“
Entscheidend war dabei, die richtige Technologie für das Projekt auszuwählen.
Weil funktionale Prototypen aus Kunststoff immer häufger genutzt werden,
hat das Systemhaus Technik Süd vor rund anderthalb Jahren einen eigenen
3D-Drucker angeschafft, der laut Kaj Führer „sehr gut ausgelastet“ ist. Für
das TransRoPorter-Projekt arbeiteten seine Kollegen und er jedoch eng mit
Stratasys zusammen, da der Bauraum des vor Ort vorhandenen Fortus 400
FDM-Druckers für die Box nicht ausgereicht hat. Gefertigt wurde deshalb
letztendlich auf einem Fortus 900mc.

Weitere Informationen zum 3D Drucker F900mc