Was sind 3D?

Jun 21, 2023

Eine 3D-gedruckte Rakete ist ein Raumfahrzeug, das aus additiv gefertigten Komponenten mithilfe der 3D-Drucktechnologie besteht. Im Vergleich zu den meisten herkömmlichen Raketen ist die 3D-gedruckte Variante treibstoffeffizienter, leichter und lässt sich in einem Bruchteil der Zeit bauen.

Die Triebwerke und Flugzeugzellen von 3D-gedruckten Raketen können in einem Stück gebaut werden – ohne Verbindungen, Nähte oder Schweißnähte. Sein additiver Fertigungsprozess rationalisiert außerdem die Produktionspipelines, da nur wenig bis gar keine Werkzeuge und weniger Teile erforderlich sind, und ermöglicht Start-ups aus der Luft- und Raumfahrtbranche gleichzeitig die Teilnahme am Rapid Prototyping.

Eine 3D-gedruckte Rakete ist ein funktionsfähiges Raumschiff, das größtenteils aus additiv gefertigten Teilen besteht.

Derzeit werden 3D-gedruckte Raketen hauptsächlich als Satellitenträger entwickelt, die Satelliten transportieren und in bestimmte, erdnahe Umlaufbahnen bringen. Mit weiterer Entwicklung könnten sie schließlich für Raumfahrten mit Passagieren und Marsmissionen eingesetzt werden.

„Heutzutage kann fast alles in 3D gedruckt werden, und in Zukunft wird noch mehr Druck möglich sein“, sagte Ryan Kraft, Senior Director für integrierte Leistung beim privaten Raketenunternehmen Relativity Space, gegenüber Built In. „Die Herausforderung besteht darin, zu bestimmen, was gedruckt werden soll und wie gedruckte Komponenten am besten in das Gesamtsystem der Trägerrakete integriert werden können.“

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Das Weltraumrennen ist im 3D-Drucker genauso wettbewerbsintensiv, da jedes Startup im Laufe der Zeit seinen eigenen, neuartigen Ansatz erfindet. Allerdings gibt es insgesamt sieben Arten der additiven Fertigung, von denen zwei die Spitzenreiter sind: Pulverbettfusion (insbesondere selektives Lasersintern) und gerichtete Energieabscheidung.

Am häufigsten werden 3D-gedruckte Raketen und ihre Komponenten mithilfe einer Pulverbettfusionsmethode hergestellt, die als selektives Lasersintern bekannt ist, sagte Tony Hoffman, ein leitender Analyst, der 3D-Drucker bei PCMag testet und überprüft. Während dieses Prozesses, erklärte er, werden Laser verwendet, um ein Metallpulver zu schmelzen und zu verschmelzen, das dann Schicht für Schicht verteilt wird, um das beabsichtigte Objekt zu schaffen.

Mithilfe einer CAD-Software (Computer Aided Design) wird der Bauplan hochgeladen und dann in dünne Querschnitte aufgeteilt. Diese Daten werden dann an die Fertigungsausrüstung übertragen – eine große, kastenförmige Maschine mit eingebautem Fenster und Nivellierwalze. Bei jedem Schritt bewegt sich die Walze von einer Seite zur anderen, wie ein Balken in einem Büroscanner, und verteilt eine dünne Schicht pulverförmigen Materials auf der Bauplattform. Anschließend zeichnet ein Laser das Design gemäß der programmierten Anweisung mithilfe von Wärme aus, die das Material bindet. Die Bauplattform wird um eine Ebene abgesenkt und die nächste Schicht wird auf der vorherigen, jetzt erstarrten Schicht aufgebaut (daher das „Hinzufügen“ in „additive Fertigung“). Dieser Vorgang wiederholt sich, bis der Entwurf abgeschlossen ist.

Aber wie Sie sich vorstellen können, passt beim Bau von Schiffen in Raketengröße nicht alles in eine Box. Eine andere Technik, die von der NASA und der Relativitätstheorie verwendet wird, ist als gerichtete Energiedeposition bekannt.

„Diese Drucker müssen sehr groß sein, weil die Komponenten, die sie herstellen wollen, sehr groß sind“, sagte Kurt Anderson, Professor für Maschinenbau, Luft- und Raumfahrttechnik und Nukleartechnik am Rensselaer Polytechnic Institute.

Bei dieser Methode steuert ein mehrachsiger Roboterarm eine Energiequelle – etwa einen Plasmabogen, einen Laser oder einen Elektronenstrahl – entsprechend einem CAD-Modell. Während die Düse ein Filament – ​​wahrscheinlich eine leichte Metalllegierung mit Aluminium oder Titan – extrudiert, schmilzt sie das Material und legt es auf einer rotierenden Bauplattform ab.

„Angesichts der dünnwandigen Zylinderform vieler notwendiger Raketenkomponenten“, sagte Anderson, „verfügen 3D-Drucker, die auf den Bau von Raketen ausgerichtet sind, tendenziell über räumliche Robotermanipulatoren, die in Verbindung mit einem sehr großen, zentralen Drehteller arbeiten.“

Auf diese Weise können digitale Renderings in physische, funktionale, maßstabsgetreue Komponenten umgewandelt werden, wobei die Einschränkungen in der Größe der Basis und der Kammer liegen, in der ein Stück gebaut wird.

Oxidationsmitteltanks, Treibstofftanks, Triebwerksdüsenglocken, äußere Raketenkörper und einige der Rohrleitungen seien alles Komponenten einer Rakete, die sich für den 3D-Druck eignen, sagte Anderson. Auch Brennkammern, Injektoren, Pumpen und Ventile stehen auf der Liste.

Andere Teile, deren Konstruktion kein hohes Maß an Genauigkeit oder Festigkeit erfordert, seien ebenfalls gute Kandidaten für den Austausch gegen ein 3D-gedrucktes Äquivalent, fügte er hinzu.

Jedoch alle Gegenstände, die chemische, thermische oder Festigkeitsschwellenwerte haben; Wesentliche Merkmale, die schlecht passen (in Bezug auf die Größe), und solche mit Konsistenzen oder Toleranzen, die die Fähigkeiten eines Druckers übersteigen (ohne übermäßige Nachbearbeitung), sollten sich möglicherweise für die traditionelle Fertigung entscheiden.

Das Ergebnis: Wir haben keine Raketen, die vollständig 3D-gedruckt sind.

„Die meisten Unternehmen scheinen derzeit mehr daran interessiert zu sein, den 3D-Druck am besten in ihre [bestehenden] Arbeitsabläufe zu integrieren“, sagte Hoffman, „als am 3D-Druck ganzer Raketen an sich.“

Wenn man bedenkt, wie weit die Technologie fortgeschritten ist, geht es nicht so sehr darum, was gedruckt werden kann und was nicht, sondern eher darum, was sein sollte – um den größtmöglichen Mehrwert zu schaffen.

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Ja – das Luft- und Raumfahrt-Startup Relativity Space startete am 22. März 2023 in Cape Canaveral, Florida, Terran 1, die erste 3D-gedruckte Rakete, die den Weltraum erreichte. Während das 110 Fuß hohe und 7,5 Fuß breite Flugzeug bei seinem Jungfernflug nicht in die Umlaufbahn gelangte, „bewies es, dass 3D-gedruckte Raketen strukturell realisierbar sind“, sagte Kraft.

Die mit insgesamt zehn Triebwerken ausgestattete, mit Methan betriebene Rakete wurde zu 85 Prozent in 3D gedruckt.

Während der 3D-Druck die Kosten senkt, Engpässe in der Lieferkette beseitigt und die Entwicklung beschleunigt, treibt er auch die Nachfrage in die Höhe. Hier sind einige Projekte und ihre jeweiligen Unternehmen, die den Bereich anführen.

Die nächste Generation 3D-gedruckter Raketen von Relativity Space verfügt über Terran R, ein wiederverwendbares Raumschiff mit mittlerem bis schwerem Hubraum, das dafür ausgelegt ist, 50.000 Pfund schwere Nutzlasten 20-mal in den Weltraum zu befördern. Wie Terran 1 wird es sich bei dem neuen Modell um eine zweistufige Rakete handeln, die jedoch doppelt so groß ist – mit einer Höhe von 270 Fuß und einem Durchmesser von 18 Fuß. Das in Kalifornien ansässige Startup beabsichtigt, Terran R ab 2026 im kommerziellen und staatlichen Sektor verfügbar zu machen.

Das in Großbritannien ansässige Luft- und Raumfahrt-Startup stellt seinen ersten 3D-gedruckten Prototyp namens Prime vor. Die Mikro-Trägerrakete ist 62 Fuß lang und wird dazu dienen, kleine, kommerzielle Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen. Jeder seiner sieben Motoren wird aus einem Stück aus einer leichten Aluminium-Titan-Metallmischung über einen hauseigenen Großseriendrucker gefertigt. Als Teil des „grünen Startsystems“ von Orbex wird Prime einen erneuerbaren Bio-Propan-Treibstoff verwenden, der laut der Website des Unternehmens die Kohlenstoffemissionen im Vergleich zu typischen Raketentreibstoffen um 90 Prozent reduzieren soll. Prime ist außerdem so konzipiert, dass es wiederverwendbar ist und keine Spuren von Schmutz auf der Erde oder im Weltraum hinterlässt.

Nach der Übernahme des konkurrierenden Startups Launcher durch Vast erbte das in Kalifornien ansässige Luft- und Raumfahrtunternehmen, das private Raumstationen mit künstlicher Schwerkraft bauen will, damit Menschen bis zu 30 Tage am Stück im Orbit leben und arbeiten können, eine Reihe von 3D-gedruckten Flüssigkeiten -Raketentriebwerke. Laut der Website von Launcher bietet das 50 Fuß lange E-2-Modell „weniger Treibstoff und mehr Nutzlast“ und kann 330 Pfund in die erdnahe Umlaufbahn befördern. Die Brennkammern des Raumfahrzeugs werden mit flüssigem Sauerstoff und Treibstoffen auf Kerosinbasis betrieben und sind vollständig aus Kupferlegierungen in 3D gedruckt.

Ursa Major, ein auf Raketenantriebe spezialisiertes Luft- und Raumfahrtunternehmen mit Hauptsitz in Colorado, entwickelt vier Triebwerke, die alle zu 80 Prozent im 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Die additive Fertigung verkürze die Produktion auf einen Monat, gab das Unternehmen in einem Newsletter an. Die Raketen von Ursa Major mit einem Antrieb von 4.000 bis 200.000 Pfund bestehen aus Triebwerkskomponenten auf Kupferlegierungsbasis und sind für Weltraumstarts und Hyperschallanwendungen vorgesehen.

Der in Kalifornien ansässige Raumfahrthersteller Aerojet Rocketdyne arbeitet mit der NASA zusammen, um ein vollständig 3D-gedrucktes Triebwerk zu bauen, das ausschließlich mit einer Mischung aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff betrieben wird. Unter Verwendung seines früheren RS-25-Modells – eines, das seit 40 Jahren als Haupttriebwerk in Raumfähren im Einsatz ist – als Vorlage entwirft das Unternehmen nun 3D-gedruckte Teile. Bisher konnte die Schubkraft des Triebwerks um 13 Prozent gesteigert und die Kosten um 30 Prozent gesenkt werden. Nach der Fertigstellung wird die moderne Version in der Artemis-III-Mission der NASA zum Einsatz kommen, bei der zum ersten Mal seit einem halben Jahrhundert wieder Menschen auf die Mondoberfläche zurückkehren werden.

Eine 3D-gedruckte Rakete ist ein funktionsfähiges Raumschiff, das größtenteils aus additiv gefertigten Teilen besteht.

Eine 3D-gedruckte Rakete besteht aus leichten Metalllegierungen, die mithilfe additiver Fertigungsmethoden wie selektivem Lasersintern und direkter Energieabscheidung miteinander verschmolzen werden. Zu den gängigen Materialien zählen unter anderem Aluminium, Titan, Kupfer, Nickel und Chrom.

Ja. Die erste 3D-gedruckte Rakete, die den Weltraum erreichte, war Terran 1 von Relativity. Die Jungfernfahrt fand am 22. März 2023 statt.