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Um die additive Fertigung voranzutreiben, hat ein Forscherteam zusammen mit Beiträgen der NASA ein Rad in 3D gedruckt, das mit einem Design identisch ist, das die Raumfahrtbehörde für ihren Roboter-Mondrover verwendet. Der Prozess zeigt, wie die Technologie für spezielle Teile verwendet werden kann, die für die Weltraumforschung benötigt werden.

Für das Team des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des Energieministeriums dienten die leichten Räder des Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) als Inspiration für ihr Design. Die NASA hofft, im Jahr 2024 einen mobilen Roboter einsetzen zu können, um Eis und andere mögliche Ressourcen in der Nähe des Südpols des Mondes zu untersuchen.

Obwohl das Rad beim eigentlichen Rover selbst keinen Einsatz finden wird, wird die Leistung des gedruckten Rads von der NASA im Vergleich zu einem konventionell konstruierten Rad bewertet, das nächstes Jahr auf dem Mond eingesetzt wird.

Der additive Druck ermöglicht zwar die Komplexität des Designs und die individuelle Anpassung der Materialeigenschaften, kann jedoch den Energieverbrauch, den Materialabfall und die Vorlaufzeiten senken.

Die Manufacturing Demonstration Facility (MDF) am ORNL, in der das Rad in 3D gedruckt wurde, entwickelt die Technologie seit mehr als zehn Jahren für eine Vielzahl von Anwendungen in der Industrie, im Transportwesen und in der sauberen Energiebranche.

Der Produktionsprozess umfasste synchronisierte Laser, eine rotierende Bauplatte und einen maßgeschneiderten 3D-Drucker, mit denen Metallpulver präzise in die gewünschte Form geschmolzen wurde. Standardmäßige Metallpulverbettsysteme arbeiten in den folgenden Schritten: Sie streichen eine Pulverschicht über eine feste Platte in einer Maschine von der Größe eines Schranks. Anschließend wird eine Schicht durch einen Laser selektiv aufgeschmolzen, bevor die Platte sanft abgesenkt und der Vorgang wiederholt wird.

Laut Peter Wang, der die MDF-Entwicklung neuer Laser-Pulverbett-Fusionssysteme leitet, ist der für den Rover-Rad-Prototyp verwendete Drucker groß genug, dass eine Person ihn betreten kann, und verfügt über eine außergewöhnliche Fähigkeit, umfangreiche Gegenstände zu drucken, während die Phasen gleichzeitig stattfinden ständig. Entscheidend sei auch „die 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“, heißt es in einer Erklärung des ORNL.

Das Team sagt, dass dieser Prozess die Produktionsrate steigerte und dazu beitrug, dass die Abscheidung um 50 Prozent schneller erfolgte. „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“, sagte Wang.

Eine Studie über ihre Arbeit mit additiver Fertigung wurde in der Zeitschrift Mary Ann Liebert veröffentlicht.

Die Abmessungen des 3D-gedruckten Rades betrugen etwa 8 Zoll Breite und 20 Zoll Umfang und bestanden aus einer Legierung auf Nickelbasis. Nach Angaben des Teams zeigte die verwendete additive Drucktechnologie die Fähigkeit, feine geometrische Details über einen großen Arbeitsbereich zu drucken und so ein komplexes Felgendesign zu ermöglichen, ohne die Kosten zu erhöhen oder die Herstellung zu erschweren.

Die vier VIPER-Räder sollen nächstes Jahr zum Einsatz kommen; im Gegensatz dazu waren mehrere Herstellungsverfahren und Montageschritte erforderlich. Die 50-teilige Felge des VIPER ist an 360 Punkten durch Nieten verbunden. Die anspruchsvollen Anforderungen der Mission erforderten ein arbeitsintensives und anspruchsvolles Produktionsverfahren.

Im Gegensatz dazu könnten zukünftige Rover stattdessen eine einzelne gedruckte Radfelge verwenden, deren Erstellung ORNL nur 40 Stunden gedauert hat, wenn NASA-Tests zeigen, dass der 3D-gedruckte Prototyp genauso langlebig ist wie traditionell hergestellte Räder.

Forscher sagten, dass der additive Herstellungsprozess es ORNL- und NASA-Experten ermöglichte, das Drucken präziser Designelemente, einschließlich abgewinkelter Seitenwände, einer gewölbten Form und einer wellenförmigen Lauffläche, zu untersuchen, um die Steifigkeit des Rades zu erhöhen. Mit herkömmlichen Fertigungstechniken ist es unmöglich, diese Merkmale in das derzeitige VIPER-Raddesign zu integrieren. Obwohl ein Rad mit einem komplexeren Speichenmuster und Speichenverriegelungsmöglichkeiten möglich war, machte der 3D-Druck das Raddesign einfacher, billiger und einfacher zu montieren.

Eine Einschränkung dieses Prozesses besteht darin, dass das 3D-gedruckte Rad bei gleicher Dicke 50 Prozent schwerer ist als das herkömmliche VIPER-Rad aus Aluminium. Dies ist auf die Schwierigkeit zurückzuführen, einen Spezialdrucker zu verwenden, der nur mit bestimmten Materialien (in diesem Fall einer Nickelbasislegierung) hergestellt werden kann.

Die Raumfahrtbehörde wird das 3D-gedruckte Rad eines Rovers in einer ihrer Einrichtungen im Johnson Space Center der NASA umfassend testen, um die Manövrierfähigkeit, den Schwenkwiderstand, den seitlichen Schlupf, das Steigen von Steigungen und andere Leistungskennzahlen des Rads zu bewerten. Wenn die Ergebnisse zufriedenstellend ausfallen, wird erwartet, dass es sehr bald zu den Rovern der Raumfahrtbehörde gelangt.