TH Köln: Elektrophotographie für 3D-Druck im Weltraum
Der 3D-Druck wird zur Fertigung von Ersatz- und Endteilen immer wichtiger. Das zeigt sich unter anderem in der Automobilindustrie aber auch am zunehmenden Interesse, die Technologie in der Luft- und Raumfahrt einzusetzen. Dabei sollen die verschiedenen Verfahren aber nicht nur zur Herstellung von Raketenbauteilen vor dem Start genutzt werden, sondern zukünftig auch direkt im Weltraum zum Einsatz kommen. So hat beispielsweise der Weltraumhersteller Made in Space (MIS) sein Turbinen-Keramik-Fertigungsmodul (Turbine Ceramic Manufacturing Module – CMM) bereits in den Weltraum gesandt. Das Potenzial den 3D-Druck im Weltraum zu ermöglichen, erkennen auch Forscher der TH Köln, welche gemeinsam mit mz Toner Technologies an einem neuen elektophotographischen Verfahren arbeiten.
Ausgangstechnologie ist altbekannt
Die Elektrophotographie, auch bekannt als Xerografie oder Laserdruck, auf welcher das 3D-Druck-Verfahren des Teams beruht, stellt dabei an sich keine Innovation dar. Dieses kommt häufig bei handelsüblichen Digitaldruckern zum Einsatz. Dabei kommt eine elektrisch geladenen Fototrommel und ein Laserstrahl zum Einsatz, welcher die Ladung von den Bereichen der Trommel entfernt, wo später kein Bild entstehen soll. Schließlich wird unter Hitze (von bis zu 200 Grad) das Druckmotiv mit einem Farbstoff auf den positiv geladenen Bereichen der Trommel gefertigt. Genau dieses Prinzip kommt auch beim elektrophotographischen 3D-Druck-Verfahren zum Einsatz. Im Gegensatz zum Farbstoff werden hier allerdings Polymerpartikel verwendet. Das Teil das gedruckt werden soll, wird zuvor von einer Software in hauchdünne Schichten aufgeteilt, welche anschließend vom Drucker erzeugt werden. Im Druckprozess können bis zu zehn hauchdünne Schichten (welche nur wenige Mikrometer dünn sind) übereinander gedruckt werden. Diese gedruckten Teile können dann in einem weiteren Schritt miteinander verbunden, wofür eine Heizpresse zur Anwendung kommt.
Das Verfahren eignet sich zum Druck von Zahnradlayern. (Bild: mz Toner Technologies GmbH)
Weshalb die Technologie im Weltraum vorteilhaft sein könnte
Die im Verfahren gedruckten Polymerpartikel sind Kunststoffe und zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht unter gleichzeitig hoher Belastbarkeit aus. Das macht das Material an sich natürlich zum idealen Kandidat für die Raumfahrt. So könnten etwaige Ersatzteile nach Bedarf direkt im All gedruckt werden und würden zukünftig nicht mehr unnötig mitgeführt werden, was nicht nur Gewicht sondern vor allem auch Platz spart – wie man sich vorstellen kann, zwei kostbare Güter für Weltraum-Expeditionen. Damit dieser Vorteil aber effektiv genutzt werden kann, gilt es zuerst das Verfahren so zu optimieren, dass es auch trotz fehlender Schwerkraft funktioniert. Einer Herausforderung, der sich die Wissenschaftler der TH Köln gemeinsam mit ihrem Projektpartner mz Toner Technologies stellen will. Dieser arbeitet bereits an einem Prototyp des 3D-Druckers. Zudem stehen die Beteiligten im Austausch mit der European Space Agency (ESA).
Auch Haushalts- und Elektrogerätemarkt könnte vom Verfahren profitieren
„Der 3D-Druck mit Elektrophotographie ist für alle Werkstoffgruppen wie Kunststoffe, Metalle und Keramik geeignet, spart Gewicht, hat eine erhöhte Geschwindigkeit und bietet eine enorme Gestaltungsfreiheit wie den großzügigeren Umgang mit Farben“, so Katrakova-Krüger, Professorin an der Fakultät für Informatik und Ingenieurwissenschaften Institut für Allgemeinen Maschinenbau (IAM). Laut Angaben der Forscher, eröffnen sich durch die Vielzahl an Werkstoffen neben der Raumfahrt auch andere Anwendungsfelder, wie beispielsweise der Haushalts- und Elektrogerätemarkt. Die Elektrophotographie könne insbesondere zur Fertigung von kleinen Serien, das üblicherweise genutzte Spritzgussverfahren ablösen, welches sich normalerweise auf Grund der hohen Kosten erst ab einer bestimmten Stückzahl lohnt.
Beispiel einer Spritzgussform für eine Installationskomponente. (Bild: Schneider Electrics)
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