Forschende 3D-drucken Rad-Prototyp für Mondrover mit der NASA

Forschende des Oak Ridge National Laboratory haben in Zusammenarbeit mit der NASA haben ein Rad-Prototypen für einen Mondrover 3D-gedruckt.

Obwohl das Prototyp-Rad nicht in der Mondmission eingesetzt wird, erfüllt es dieselben Designspezifikationen und durchläuft zusätzliche Tests, um die Methode vor einer Anwendung bei künftigen Rovern für den Mond oder den Mars zu validieren.

Der 3D-Druck bietet mehrere Vorteile: Er reduziert Energieverbrauch, Materialverschwendung und Vorlaufzeit, ermöglicht dabei aber komplexe Designs und maßgeschneiderte Materialeigenschaften. Das Radprototyp, gedruckt in der Herstellungs-Demonstrationsanlage des ORNL, wurde mit einer spezialisierten 3D-Druckmaschine erstellt, die zwei koordinierte Laser und eine drehbare Bauplatte nutzt, um selektiv Metallpulver in die gewünschte Form zu schmelzen. Peter Wang, Leiter der MDF-Entwicklung neuer Laser-Pulverbett-Fusionssysteme, betont, dass dieses Verfahren die Produktionsrate dank gleichzeitig und kontinuierlich ablaufender Schritte signifikant steigert.

Das Rad ist aus einer Nickel-basierten Legierung gefertigt und präsentiert sich mit einer Größe von etwa 20 Zoll im Durchmesser und 8 Zoll in der Breite. Der additiven Fertigung kommt hier insbesondere eine Schlüsselrolle zu, um größere Komplexität im Felgendesign ohne zusätzliche Kosten oder Fertigungsschwierigkeiten zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu erforderten die vier VIPER-Räder, die im nächsten Jahr durch den Mondstaub fahren sollen, zahlreiche Fertigungsprozesse und Montageschritte.

 “Das Projekt mit der NASA hat die Technologie wirklich vorangebracht”, sagte Brian Gibson, der Forscher, der das Rover-Rad-Projekt für das ORNL leitete. “Es war großartig, eine Fähigkeit mit einem sich entwickelnden Bedarf zu verbinden, und das Team war begeistert, ein Prototypbauteil mit Anwendungen in der Weltraumforschung herzustellen.”

Trotz der besonderen Herausforderung, dass der spezialisierte Drucker nur mit bestimmten Materialien arbeitet – in diesem Fall einer Nickel-basierten Legierung –, weist das 3D-gedruckte Rad eine um 50% höhere Masse als das Aluminium-VIPER-Rad auf, während es bei ähnlicher Dicke gedruckt wurde.

“Viele dieser Radmerkmale wurden nur eingebaut, um zu zeigen, was man mit der additiven Fertigung alles machen kann”, sagte Richard Hagen, Konstrukteur bei der NASA und Leiter des Labors für additive Fertigung im Johnson Space Center der NASA in Houston. “Damit lassen sich auf einfache Weise Konstruktionsmerkmale umsetzen, die mit herkömmlichen Werkzeugen oder sogar mit einem traditionell bearbeiteten Teil nur schwer zu realisieren sind.

Zukünftige Rover könnten, falls die NASA-Tests den 3D-gedruckten Prototypen als ebenso robust wie konventionell gebaute Räder beweisen, ein einziges gedrucktes Rad verwenden, das in 40 Stunden hergestellt werden könnte. Durch das Projekt erforschten Ingenieure von ORNL und NASA auch das Drucken präziser Designmerkmale, wie abgewinkelte Seitenwände, eine gewölbte Form und ein wellenförmiges Profil, um die Steifigkeit des Rades zu erhöhen.

Dieser innovative Ansatz, der die additive Fertigung in den Bereich der Raumfahrt bringt, demonstriert, dass die Grenzen dieser Technologie stetig erweitert werden und zukünftige Missionen revolutionieren könnten, indem sie schnelle Designaktualisierungen, gesteigerte Komplexität und möglicherweise sogar Off-Planet-Fertigungskapazitäten ermöglichen.

“Die Möglichkeit, im Weltraum Teile für Reparaturen herzustellen, wird wichtig sein, da man nicht genug Ersatzteile mitnehmen kann”, sagte er. “Pulver, Pellets oder Filamente für den Druck sind viel einfacher zu verpacken und würden mehr Flexibilität ermöglichen.

“Die additive Fertigung bietet die Flexibilität, dass man, wenn man das Ausgangsmaterial hat, jedes Ersatzteil herstellen kann, das man braucht, egal ob im Weltraum oder auf der Erde”, so Gibson.