Multimaterial-3D-Druck für Raketenantriebe

Die Raumfahrtbranche steht unter dem Druck, Raketen immer flexibler und günstiger herzustellen, insbesondere die Antriebs- und Lageregelungstechnik macht einen Großteil der Gesamtkosten einer Trägerrakete aus. Im Rahmen eines groß angelegten EU-Forschungsprojekts entwickeln Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV neuartige Verfahren zur additiven Fertigung von Raketenkomponenten. Ziel ist es, Kosten und Entwicklungszeiten deutlich zu senken, Materialeffizienz zu steigern und den europäischen Zugang zum Weltraum unabhängiger zu gestalten. 

Kern der Entwicklung ist die Herstellung von Multimaterialbauteilen mittels Laserstrahlschmelzen. Bei dem additiven Fertigungsverfahren werden gleichzeitig zwei oder mehr Pulverwerkstoffe – etwa unterschiedliche Metalle oder Legierungen – gezielt mithilfe eines Lasers verschmolzen. So lassen sich Bauteile mit variierenden Materialeigenschaften, zum Beispiel unterschiedliche Härte- oder Korrosionsbeständigkeit, in einem einzigen Herstellungsprozess erzeugen. „Mit diesem Fertigungsverfahren können wir Komponenten direkt am Rechner anpassen und sofort drucken“, erklärt Constantin Jugert, Wissenschaftler am Fraunhofer IGCV. „Die enorme Flexibilität spart uns Vorlaufzeiten und erlaubt schnelle Iterationen, wenn sich Anforderungen ändern. Das spart Wochen in der Entwicklung.“

Nächste Generation von Ariane-Triebwerken

Mithilfe dieser Technologie haben Jugert und seine Kollegen einen  Multimaterialdemonstrator für Raketen hergestellt  Entstanden ist ein  Ventilbauteil aus sich abwechselnden, magnetischen und nicht-magnetischen Stahllegierungen, das dazu beiträgt, dass die Rakete während des Flugs stabil ausgerichtet bleibt. Bereits im Labor nachgewiesene hohe Dichte und präzise Materialverteilung bestätigen die geforderte Bauteilperformance. Nun vergleichen die Forscher ihren 3D-gedruckten Prototyp direkt mit konventionell gefrästen und verschweißten Versionen, um Funktionalität, Effizienz-, Kosten- und Taktzeitvorteile für die nächste Generation von Ariane-Triebwerken zu belegen.

Ein tieferer Blick in die Materialgrenzen

Doch Flexibilität allein reicht nicht, wenn die Übergänge zwischen Werkstoffen zum kritischen Fehlerpotenzial werden. Deshalb haben die Forscher in einem anderen Projekt zusammen mit der KU Leuven untersucht, wie sich Titan- und Nickellegierungen per Multimaterial-Laserstrahlschmelzen sauber verbinden lassen. Erste Tests ohne Zwischenschicht zeigten defektbehaftete Übergänge und die Bildung von spröden Phasen. Mithilfe von Simulationen und Labortests gelang es, mit einer dünnen Molybdän-Zwischenschicht den direkten Kontakt zwischen der Titan- und Nickellegierung zu verhindern und auf Labormaßstab eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen. Diese Ergebnisse legen erstmals eine Basis für passgenaue Materialübergänge durch Zwischenschichten – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu leichten, funktionsintegrierten Bauteilen.

Nachhaltigkeit und Prozessintelligenz als Erfolgsfaktor

Damit sich die Vorteile der Multimaterialfertigung auch wirtschaftlich und ökologisch auszahlen, widmen sich Jugert und sein Team außerdem der Aufbereitung und Qualitätssicherung des Pulvers. Ein magnetisches Trennsystem sorgt dafür, dass das bereits während dem Druck vermischte Pulver automatisch separiert und wiederverwendet werden kann – das senkt Materialkosten und Emissionen. Perspektivisch könnte dazu ein Echtzeit-Monitoring entstehen, in dem Thermografie und Sensorik jede Schmelzschicht live überwachen und im Closed-Loop automatisch die Prozessparameter nachsteuern. Ein künftig wichtiges Forschungsfeld, um konstant hohe Bauteilqualität zu sichern und die Basis für skalierbare Druckläufe in der Serienfertigung zu schaffen.

An den mit rund 38 Millionen Euro geförderten Projekten „Enlighten“ und „Enlighten-ED“ wirken bis Anfang 2027 mehr als ein Dutzend Forschungseinrichtungen und Industriepartner mit. Die ArianeGroup steuert als Industriepartner die Anforderungen realer Raumfahrtanwendungen bei und bereitet die Integration in zukünftige Trägerraketen vor. „Wir wollen nicht nur zeigen, wie Multimaterial-3D-Druck heute funktioniert – mit Enlighten legen wir die Basis für eine nachhaltige, flexible Serienfertigung von Raketen, die Europa langfristig unabhängiger macht“, so Constantin Jugert.

(Quelle: Fraunhofer IGCV)