Revolutionierung der Flughardware:3D-gedruckte Luft- und Raumfahrtkomponenten im Orbit

Additive Fertigung für die Luft- und Raumfahrt im Orbit:Entwicklung eines 3D-gedruckten Satelliten für den Flug

Seit Jahrzehnten ist die Luft- und Raumfahrtfertigung durch Aluminium, Titan und lange Vorlaufzeiten geprägt. Strukturkomponenten wurden in Prozessen bearbeitet, befestigt, geprüft und zusammengebaut, bei denen Sicherheit Vorrang vor Geschwindigkeit hatte. 

Was passiert also, wenn bei der additiven Fertigung nicht nur Hardware-Prototypen hergestellt werden, sondern sie im Orbit fliegen? 

Genau das geschah, als der ehemalige NASA-Wissenschaftler Tony Boschi und das Team von Sidus Space sich daran machten, LizzieSat zu bauen, einen teilweise 3D-gedruckten Satelliten, der an Bord der Transporter-9-Mission von SpaceX starten sollte. 

Was sie dabei bewiesen haben, ist etwas, worauf jeder technische Leiter achten sollte: 

Die additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt ist nicht mehr experimentell. Es ist betriebsbereit.

Tony Boschi von Sidus Space erklärt, wie kontinuierlicher 3D-Kohlenstofffaserdruck und Markforged-Materialien die Entwicklung von LizzieSat ermöglichten, einem teilweise 3D-gedruckten Satelliten, der für branchenübergreifende Missionen entwickelt wurde.

Die technische Vorgabe:100 Kilogramm, nicht mehr

LizzieSat wurde unter einer strengen Massenbeschränkung entwickelt:Der gesamte Satellit muss weniger als 100 Kilogramm wiegen. 

Für Luft- und Raumfahrtingenieure definiert diese Zahl sofort das Problem. 

Batterien verbrauchen Masse. Flugcomputer verbrauchen Masse. Nutzlastsysteme verbrauchen Masse. Energiesysteme verbrauchen Masse. 

Die Struktur ist oft der Ort, an dem noch Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung bestehen, aber die Struktur muss auch bestehen bleiben: 

• 5G-Start lädt
• Sonnenstrahlungsbelastung
• Thermische Schwankungen nähern sich 300 °F (200 °C)
• Mehrjährige Orbitallebensdauer 

Beim Start vervielfacht sich die Schwerkraft. Eine fünf Pfund schwere interne Komponente wiegt bei 5G effektiv 25 Pfund. Eine 100 Pfund schwere Struktur erfährt eine Kraft von 500 Pfund. Allein dieser Lastfall schließt viele Materialien aus der Betrachtung aus. 

Das Sidus-Team wollte kein Einzweck-Raumschiff bauen. Sie stellten sich eine flexible Satellitenbusplattform vor, die mehrere Kunden, Branchen und Missionstypen unterstützen kann. Anstatt Dutzende spezialisierter Satelliten zu starten, könnte sich LizzieSat an unterschiedliche Nutzlasten anpassen. 

Diese Flexibilität erforderte ein Struktursystem, das leicht, stabil, schnell iterierbar und präzise gefertigt war. Mit der herkömmlichen Bearbeitung konnten sie nicht schnell genug dorthin gelangen.

Warum die additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt die Gleichung verändert hat

Bei der herkömmlichen Aluminiumherstellung führen Designänderungen zu Reibung. Technische Revisionen müssen freigegeben werden. Teile müssen nachbearbeitet werden. Eventuell muss die Montage nachgearbeitet werden. Die Vorlaufzeiten verlängern sich. 

Boschi hatte ein anderes Ziel:Design im Innovationstempo. 

Mit dem Markforged X7 begann Sidus mit der Produktion von Strukturbauteilen, die mit durchgehender Kohlefaser verstärkt waren. Dabei handelte es sich nicht um kosmetisches Prototyping, sondern um strukturelle Hardware. 

Die durchgehende Kohlefaserverstärkung sorgt für eine mit Aluminium vergleichbare Festigkeit und reduziert gleichzeitig das Gewicht deutlich. Noch wichtiger ist, dass die Geometrie nicht mehr durch die subtraktive Fertigung eingeschränkt wird. 

Wenn sich ein Design änderte, dauerte die Umsetzung keine Wochen. 

Es hat einen Tag gedauert. 

Boschi beschreibt den Unterschied anschaulich:Wenn sich etwas ändert, kann das Team ein neues Strukturbauteil nachdrucken und sofort integrieren. Für ein Satellitenprogramm, das nach aggressiven kommerziellen Zeitplänen läuft, ist diese Geschwindigkeit kein Komfort, sondern ein Wettbewerbsvorteil. 

Das ist die Chance, die die additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt bietet:Iteration ohne Nachteile.

Die Weltraumqualifikationsfrage

Ingenieure, die additive Fertigung bewerten, stellen unweigerlich die gleiche Frage: 

Kann es den Weltraum überleben? 

Sidus beantwortete diese Frage mit Daten, nicht mit Annahmen. Das Team erhielt einen Zuschuss für die Entwicklung einer Flugtestplattform, einer experimentellen Struktur, die zur Internationalen Raumstation geschickt werden sollte. Sie erstellten in kurzer Zeit Prototypen von Probenhaltern mit Markforged Onyx und integrierten sie in das Experiment. 

Der ursprüngliche Plan sah eine etwa 15-wöchige Exposition im Orbit vor. Stattdessen blieben die Teile ein ganzes Jahr lang außerhalb der ISS. 

Im Weltraum sind Materialien ständiger Belastung ausgesetzt. Direkte Sonneneinstrahlung zersetzt Polymere. Temperaturzyklen zwingen Materialien zu extremen Ausdehnungen und Kontraktionen. Vakuumbedingungen legen Schwachstellen offen. 

Als die Proben zur Erde zurückkehrten, zeigten einige Materialien eine sichtbare Zersetzung. 

Bei den Onyx-Teilen war das nicht der Fall. 

Laut Boschi gab es keinen messbaren Unterschied zwischen den Teilen, die ein Jahr im Weltraum verbracht hatten, und Teilen, die frisch auf der Maschine gedruckt wurden. Keine strukturellen Kompromisse. Keine Oberflächenzerstörung. Kein unerwartetes Materialverhalten. 

Für die additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt ist diese Art der Validierung in der Praxis wichtiger als jedes Datenblatt. Es zeigte, dass ordnungsgemäß konstruierte 3D-gedruckte Verbundteile im Orbit überleben können. 

Diese Validierung geht mittlerweile über die Testplattformen hinaus. Da seit 2024 drei LizzieSats erfolgreich gestartet und im Orbit einsatzbereit sind, sind additive Strukturkomponenten von experimentellen Expositionsversuchen zu einer flugerprobten Satellitenarchitektur übergegangen.

Präzision, die neues Strukturdesign ermöglicht

Einer der am meisten übersehenen Faktoren für die Satellitenmasse ist die Hardware, insbesondere die Verbindungselemente. 

Boschis Team stellte eine einfache Frage:Was wäre, wenn wir die Schrauben vollständig entfernen könnten? 

Mithilfe der additiven Designfreiheit entwickelten sie präzise ineinandergreifende Befestigungselemente direkt in Strukturbauteilen. Die Teile gleiten in Position und verriegeln sich mit Toleranzen von zehntausendstel Zoll, weniger als die Dicke eines Blattes Papier geteilt durch drei. 

Diese Geometrien wären auf herkömmliche Weise äußerst schwierig, wenn nicht gar unmöglich, zu bearbeiten. Aber mit dem Endlosfaser-3D-Druck von industriellen 3D-Druckern sind sie wiederholbar und zuverlässig. 

Durch den Verzicht auf unnötige Hardware und die Integration von Befestigungsfunktionen in die Struktur selbst konnte das Team die Masse reduzieren und gleichzeitig die strukturelle Integrität unter Startlasten wahren. 

Dabei handelt es sich nicht um eine schrittweise Verbesserung, sondern um ein strukturelles Umdenken, das durch die additive Fertigung ermöglicht wird.

Erfüllung der Materialanforderungen für die Luft- und Raumfahrt:Feuerhemmung und Rückverfolgbarkeit

Stärke allein reicht in der Luft- und Raumfahrt nicht aus. Die Rückverfolgbarkeit und Konformität von Materialien sind von entscheidender Bedeutung, insbesondere für Verteidigungs-, Regierungs- und kommerzielle Raumfahrtprogramme.

Sidus ist dazu übergegangen, Strukturbauteile mit Onyx FR, einem feuerhemmenden Material, und Onyx FR-A zu drucken, was eine vollständige Rückverfolgbarkeit des Materials ermöglicht. Die Bezeichnung „A“ ermöglicht die Rückverfolgung auf Chargenebene bis zum Produktionsursprung – eine Anforderung für viele Qualitätssysteme in der Luft- und Raumfahrt. 

Wenn ein Riss- oder Scherereignis auftritt, können Ingenieure die Materialherkunft verfolgen, die Grundursache analysieren und Korrekturmaßnahmen ergreifen. Dieses Maß an Verantwortung bringt die additive Fertigung mit den Erwartungen der Luft- und Raumfahrt in Einklang. 

Für technische Manager, die für Compliance und Zertifizierung verantwortlich sind, ist dies oft das fehlende Glied bei der Einführung der additiven Fertigung für Strukturanwendungen. 

Markforged schließt diese Lücke.

Ein 3D-gedruckter Satellit als Plattform, nicht als Prototyp

LizzieSat ist für eine fünfjährige Missionslebensdauer ausgelegt. Diese Langlebigkeit spiegelt nicht nur das Vertrauen in die Elektronik des Satelliten, sondern auch in seine strukturelle Integrität wider. 

Die umfassendere Bedeutung besteht nicht nur darin, dass es sich um einen 3D-gedruckten Satelliten handelt. 

Die additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt ermöglichte die Schaffung einer modularen Plattform, die mehrere Branchen und Kunden bedienen kann. Anstatt für jede Mission ein maßgeschneidertes Raumschiff zu bauen, schuf Sidus eine flexible Architektur. 

Diese Art der Skalierbarkeit ist auf dem sich schnell entwickelnden kommerziellen Raumfahrtmarkt von entscheidender Bedeutung. 

Und es wurde mithilfe des zusammengesetzten 3D-Drucks von industriellen 3D-Druckern gebaut, getestet, eingeführt und validiert.

Was das für technische Führungskräfte bedeutet

Viele Entwicklungsteams betrachten die additive Fertigung immer noch als Prototyping-Tool. Etwas für Vorrichtungen, Vorrichtungen oder Konzeptmodelle. 

LizzieSat demonstriert etwas ganz anderes. 

3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt kann: 

• Strukturmasse reduzieren
• Geometrien aktivieren, die nicht bearbeitet werden können
• Beseitigung von Hardware durch integrierte Befestigung
• Beschleunigen Sie Design-Iterationszyklen
• Erfüllen Sie die Brandschutz- und Rückverfolgbarkeitsanforderungen
• Ein Jahr im Weltraum überleben 

Für technische Manager, die fortschrittliche Fertigungsteams leiten, stellt sich nicht mehr die Frage, ob Additive in der Luft- und Raumfahrt funktionieren. 

Es geht darum, ob Ihre Konkurrenten es bereits nutzen, um schneller voranzukommen. 

Wenn Sie bewerten, wie Additive in Ihre Luft- und Raumfahrt-Roadmap passen, erfahren Sie, wie Markforged geschäftskritische Anwendungen in der Luft-, Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie unterstützt.

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