ViscoTec vipro-HEAD 5: Der ViscoTec-Druckkopf für die Raumfahrt

Der vipro-HEAD 5 Druckkopf von Viscotec hat sich bereits in zahlreichen Anwendungen mit viskosen Medien und Pasten bewährt.

In drei Parabelflügen sollen die Experimente im November durchgeführt werden. Pro Flug sind 30 Parabeln geplant, an denen von einem Wendepunkt über den Hochpunkt bis zum anderen Wendepunkt der Parabel 20 Sekunden Schwerelosigkeit herrschen und Versuche durchgeführt werden können. Das AIMIS-FYT Team hat die Möglichkeit, insgesamt acht Experimente umzusetzen, um den 3D-Druckprozess unter Mikrogravitationsbedingungen zu untersuchen. Die Hauptparameter des Druckprozesses sind die Extrusions-Geschwindigkeit des Harzes, die UV-Lichtintensität, die UV-Lichtzeit und die Trajektorie des Druckers. Die Anzahl der Parabeln ermöglicht es, jedes Experiment mehrmals mit unterschiedlichen Parametereinstellungen zu wiederholen.

Die acht Mitglieder des AIMIS-FYT Teams sind Studenten der Luft- und Raumfahrttechnik an der Hochschule München.

Tests in der Schwerelosigkeit

Derzeit ist es nur in Verbindung mit hohen Kosten möglich, Geräte oder Ersatzteile in den Weltraum zu transportieren. Inspiriert von Herrn Prof. Markus Pietras, Raumfahrtprofessor an der Hochschule München, bietet nun die Fly Your Thesis2020!-Kampagne dem AIMIS-FYT Team die optimale Testumgebung für ihre Experimente. Torben Schaefer, Projektmanager des Wettbewerb-Teams, berichtet stolz: „Durch das Verfahren, welches wir erforschen, sollen die Möglichkeiten zukünftiger Raumfahrtmission erweitert und Kosten gesenkt werden. Heutige Missionen sind durch die hohen wirkenden Kräfte des Raketenstarts, die maximale Abflugmasse und das eingeschränkte Volumen innerhalb der Rakete, stark begrenzt. Unser 3D-Druckverfahren kann direkt dreidimensionale Strukturen in den Weltraum drucken mit Hilfe eines UV-härtenden Klebstoffes bzw. einer Vergussmasse. Die Kombination aus neuartiger Technologie und der schier grenzenlosen Freiheit an Formen und Anwendungsfällen begeistert unser gesamtes Team.“ Diese Begeisterung war ausschlaggebend für die weitere Erforschung dieser Technologie und den nächsten Schritt, die einzelnen Grundoperationen in der Schwerelosigkeit zu testen.

Prototyp inkl. Druckkopf, Düse und LED-System.

Qualifizierter Partner

Da das Druckmedium – im aktuellen Fall mittel- bis hochviskose Harze – ein zentraler Bestandteil des Druckprozesses ist, haben sich die Münchner zunächst für Harze mit schnellen Aushärtezeiten entschieden. Parallel wurden die Anforderungen an die Förderung und Dosierung des Mediums definiert, wie z.B. eine sehr präzise und konstante Förderung des Materials auch bei hoher Viskosität. „Nach eingehender Recherche ist aus unserer Sicht die Firma ViscoTec eines der führenden Unternehmen im Bereich der Förderung und Dosierung von mittel- bis hochviskosen Medien, sodass wir schnell den direkten Kontakt gesucht haben“, ergänzt Schaefer.

Druckvorgang eines Stabes mit dem Prototyp.

3D-Druckkopf von ViscoTec

Gedruckt wird im Versuch mit dem vipro-HEAD 5. Der 1K-Druckkopf hat sich bereits in zahlreichen Anwendungen mit viskosen Medien und Pasten bewährt. Die Materialien werden rein volumetrisch gefördert. Das Endloskolben-Prinzip garantiert absolut präzise Druckergebnisse: Während der Übergänge zu einer neuen Linie können unerwünschte Fäden dank programmierbarem Rückzug vermieden werden. Auch Prozessschwankungen wie Viskosität, Druck und Temperatur werden innerhalb des Druckvorgangs nivelliert. Die Parameter sollten während des gesamten Prozesses konstant gehalten werden. Dies wird v. a. durch den genauen Schrittmotor, der optimierten Materialzuführung und Entlüftung und dem einfachen Luer-Lock Anschluss für beliebige Düsen gewährleistet. Der gesamte Druckkopf wiegt dabei weniger als 1,0 kg und hat eine kompakte Form, sodass er präzise im Raum bewegt werden kann, um die gewünschten Formen zu drucken.

Ideale Materialeigenschaften

Im Versuch des AIMIS-FYT Teams kommt ein photoreaktives Harz zum Einsatz. Das Harz wird extrudiert und durch UV-Licht gehärtet. Torben Schaefer geht dazu ins Detail: „Derzeit testen wir zwei verschiedene Materialien von der Firma Delo. Beide sind universell einsetzbar, lichtaushärtend in einem Wellenlängenbereich von 320 – 420 nm und weisen nach dem Aushärteprozess eine gute Stabilität und Festigkeit auf. Des Weiteren reagieren beide Materialien relativ schnell mit dem UV-Licht und haben somit eine ausreichend kurze Aushärtezeit.“

Ablauf des Experiments

Die Versuche orientieren sich an den vier Grundoperationen, die das AIMIS-FYT Team für das Drucken von Strukturen (z.B. Fachwerkstrukturen) in der Schwerelosigkeit identifiziert hat: gerader Stab, gerader Stab mit Start-/Stopppunkten, Freiform-Stab und Verbindungen zwischen Stäben. Durch Kombination dieser Grundoperationen soll in der Zukunft ermöglicht werden, komplexe Gesamtstrukturen zu drucken. Schaefer erklärt weiter: „An drei Flugtagen werden in Summe 90 Parabeln geflogen und deshalb können wir insgesamt 90 Experimente durchführen. Die Experimente sind aufgeteilt in die vier Grundoperationen und innerhalb der einzelnen Grundfunktionen variieren wir verschiedene Parameter, um deren Einfluss auf das Druckergebnis zu identifizieren. Deshalb statten wir unser Experiment mit einer Vielzahl an Sensoren aus wie z.B. Wärmebildkameras, Luftdrucksensoren, Temperatursensoren, etc. Das Ergebnis sind 90 gedruckte Stäbe in unterschiedlichster Größe und Form, welche im Nachgang detailliert analysiert werden.“

Mehrwert für die (europäische) Luft- und Raumfahrt

Das Projekt der Münchner Studenten ist eine fortgeschrittene Technologiedemonstration der vier 3D-Druck-Grundoperationen. Die Erkenntnisse aus den Experimenten sollen dafür genutzt werden, den Druckprozess weiter zu optimieren und die primäre Funktionsfähigkeit der Additiven Fertigung in der Schwerelosigkeit zu beweisen. „In der Zukunft kann die Technologie dann weiter verbessert und vielleicht sogar im Weltraum erprobt werden. Denn die Technologie bietet die Chance, die Kosten für Satelliten und andere Weltraummissionen drastisch zu senken," so Schaefer abschließend.