NASA: Test einer 3D-gedruckten Aluminium-Raketendüse

Die NASA hat vor kurzem eine additiv gefertigte Raketentriebwerksdüse aus Aluminium gebaut und getestet, die leichter ist als herkömmliche Düsen.

Im Rahmen der Zusammenarbeit entwickelten Teams des NASA Marshall Space Flight Center und Elementum 3D eine schweißbare Aluminiumart, die der extremen Hitze eines Raketenmotors standhalten kann. Aluminium bietet gegenüber anderen Metallen den Vorteil, dass es eine geringere Dichte aufweist, was hochfeste, leichtgewichtige Bauteile ermöglicht. Allerdings war Aluminium bisher aufgrund seiner geringen Hitzebeständigkeit und seiner Neigung zum Rissbildung beim Schweißen nicht für den 3D-Druck von Raketentriebwerksteilen geeignet.

Das RAMFIRE-Projekt (Reactive Additive Manufacturing for the Fourth Industrial Revolution) der NASA, das im Rahmen des Space Technology Mission Directorate (STMD) finanziert wird, hat sich genau dieser Herausforderung gestellt. Ziel war es, leichte, 3D-gedruckte Aluminium-Raketendüsen zu entwickeln. Diese Düsen verfügen über kleine interne Kanäle, die die Düse ausreichend kühlen, um ein Schmelzen zu verhindern.

In der RPMI-Einrichtung in Rapid City wurde eine Düse mit dem Laser Powder Directed Energy Deposition (LP-DED) Verfahren hergestellt, bei dem Material schichtweise aufgeschmolzen und abgelagert wird. Im Gegensatz zu konventionellen Herstellungsmethoden, bei denen eine Düse aus bis zu tausend Einzelteilen bestehen kann, wird die RAMFIRE-Düse aus einem Stück gefertigt, wodurch der Fertigungszeitraum erheblich verkürzt wird.

“Industriepartnerschaften mit Spezialherstellern tragen dazu bei, die Lieferbasis zu erweitern und die additive Fertigung für NASA-Missionen und die breitere Luft- und Raumfahrtindustrie zugänglicher zu machen”, sagte Paul Gradl, RAMFIRE-Prüfleiter bei der NASA Marshall. “Wir haben die Schritte im Herstellungsprozess reduziert, so dass wir große Triebwerkskomponenten in einem einzigen Arbeitsgang innerhalb weniger Tage herstellen können.”

Das neu entwickelte Aluminium, A6061-RAM2, wird nicht nur für Düsen verwendet. Das RAMFIRE-Projekt hat bereits andere große Bauteile, wie eine Aerospike-Düse mit einem Durchmesser von 36 Zoll, für Demonstrationszwecke hergestellt.

“Masse ist für die zukünftigen Weltraummissionen der NASA von entscheidender Bedeutung”, sagte John Vickers, leitender Technologe für die fortschrittliche Fertigung bei STMD. “Projekte wie dieses bringen die additive Fertigung zusammen mit fortschrittlichen Werkstoffen zur Reife und werden dazu beitragen, neue Antriebssysteme, die Fertigung im Weltraum und die Infrastruktur zu entwickeln, die für die ehrgeizigen Missionen der NASA zum Mond, zum Mars und darüber hinaus benötigt werden.”

“Diese Testreihe stellt einen wichtigen Meilenstein für die Düse dar”, sagte Gradl. “Nachdem wir die Düse in einer anspruchsvollen Hot-Fire-Testreihe auf Herz und Nieren geprüft haben, haben wir gezeigt, dass die Düse den thermischen, strukturellen und druckbedingten Belastungen eines Triebwerks im Maßstab einer Mondlandefähre standhalten kann.”