2031 will die europäische Raumfahrtagentur „Esa“ das Röntgen-Weltraumteleskop „Athena“ ins All schicken. Dort soll es den intergalaktischen Raum nach heißen Gasen zwischen den Galaxien abtasten.
Die Esa braucht dafür aber eine drei Meter große, ringförmige Trägerstruktur aus Titan, die klassische Fabriken kaum herstellen können. Daher wollen die Satellitenexperten den Ring mit industriellen 3D-Druckern erzeugen – und setzen dabei auf sächsische Ingenieurskunst. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden hat dafür mit dem „Coaxshield“ eine innovative Edelgas-Abschirmung für lasergestützte 3D-Drucker entwickelt.
Kleiner Schutzschild ersetzt große Schutzkammer
Denn der in der Raumfahrt beliebte Werkstoff Titan korrodiert, wenn er bei Bearbeitungstemperaturen um die 300 Grad Celsius mit Luft in Kontakt kommt. Folge: Die Bauteile werden spröde und können Risse bekommen. Wenn ein Roboter ein Titan-Werkstück additiv erzeugen soll, müssen die Fachleute daher normalerweise zunächst eine große Kammer um Roboter und Bauteil herumbauen. Diese Kammer fluten sie dann mit einem reaktionsarmen Edelgas wie Helium oder Argon, bevor der 3D-Druck-Roboter loslegen kann.
Diese Methode ist für sehr große Bauteile viel zu aufwendig, erklärte Jakob Schneider vom IWS, der an „Additiver Fertigung“ forscht. „Hinzu kommt, dass die Kosten für solch eine Kammer überproportional mit der Größe des zu schützenden Bauteils steigen, zum Beispiel die Kosten für mehrere Kubikmeter Helium oder Argon, die unter Umständen wegen Zwischenarbeitsschritten auch ab- und wieder zugepumpt werden müssen.“ Ähnliches gelte für Werkstücke aus anderen „widerspenstigen Materialien“ wie Tantal oder Niob.
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Daher hat das IWS mit dem „Coaxshield“ einen alternativen Schutzschirm entwickelt, der das Schutzgas nur dorthin leitet, wo es wirklich gebraucht wird: direkt um die Bearbeitungszone des Laserstrahls herum. Der Laser bringt das Titan zum Schmelzen und formt aus dem flüssigen Metall dann Schicht für Schicht das gewünschte Bauteil. „Koaxial“ heißt der gasförmige Schild deshalb, weil er „von allen Seiten“ die Pulverdüse ummantelt.
Methode nicht nur für die Raumfahrt interessant
„Durch diese Lösung spart der Anwender viel Aufwand und Kosten“, betont Jakob Schneider. „Zudem lassen sich so auch sehr große Bauteile additiv bearbeiten.“ Dies ist nicht nur für die Raumfahrt interessant. Auch für die additive Fertigung von Knochenimplantaten bietet sich diese Methode an.
Anfang 2020 sollen die modularen Coaxshield-Köpfe, mit denen sogenannte Laser-Pulver-Auftragsschweißmaschinen auch nachträglich aufrüstbar sind, marktreif sein. Bis Athena – in der griechischen Mythologie die Göttin der Weisheit – starten kann, wird unterdessen noch eine weitere Dekade vergehen.
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Von Heiko Weckbrodt
