EBF3 - Nasa entwickelt Rapid-Manufacturing-Methode

Elektronenstrahl schmilzt Metalldraht - auch im Weltall

Wenn eines Tages Menschen auf fernen Himmelskörpern leben, können sie nicht von der Erde aus mit Material versorgt werden und müssen Gegenstände selbst herstellen. Das wird noch dauern, doch die Nasa hat schon eine Möglichkeit entwickelt, schnell und mit wenig Materialaufwand Werkstücke aus Metall zu fertigen.

Wissenschaftler am Langley-Forschungszentrum der Nasa in Hampton im US-Bundesstaat Virginia haben eine Rapid-Prototyping-Methode mit der Bezeichnung Electron Beam Freeform Fabrication (etwa: Herstellung freier Formen per Elektronenstrahl, kurz EBF3) entwickelt. Dabei wird ein Werkstück Schicht für Schicht aus einem Metalldraht aufgebaut.

Aufbau Schicht für Schicht

In einer Vakuumkammer wird ein Elektronenstrahl auf einen Draht gerichtet. Der Strahl schmilzt den Draht und so entsteht Lage für Lage das Werkstück, das auf einer rotierenden Oberfläche steht.

Ein Elektronenstrahl schmilzt das Metall. (Foto: Nasa)

Das Verfahren sei ganz einfach, erklärt Karen Taminger: "Man zeichnet ein Bauteil, das man braucht, drückt auf einen Knopf und das Teil kommt heraus." Etwas komplizierter ist es dann aber doch: Die Zeichnung ist ein CAD-Modell des Werkstücks, das dieses in viele Querschnitte zerlegt. Anhand der Querschnitte wird der Elektronenstrahl geleitet und die Materialzufuhr geregelt. Das Material muss vom Elektronenstrahl geschmolzen werden können. Dazu eignen sich am besten Metalle wie Aluminium. Als Grundstoff können auch zwei verschiedene Metalle dienen, die dann zu einer Legierung verschmolzen werden. Es soll künftig sogar möglich sein, eine Glasfaser in das Metall einzusetzen. Dadurch könnten Sensoren an Stellen platziert werden, wo es bisher nicht möglich war, erklärt Taminger.

Draht statt Pulver

Das Verfahren mit einem geschmolzenen Draht wird bisher eher beim Rapid Prototyping mit Kunststoff eingesetzt. Soll ein Werkstück aus Metall gefertigt werden, wird das Metall eher in Pulverform eingesetzt. Dabei wird eine Schicht des Pulvers aufgetragen und dann mit einem Laser geschmolzen.

Es ist den Forschern um Taminger gelungen, die Rapid-Prototyping-Hardware so klein zu bauen, dass sie an Bord eines Flugzeuges oder Raumschiffes Platz findet. Erste Versuche in der Schwerelosigkeit wurden erfolgreich absolviert. Ein Test auf der Internationalen Raumstation ISS ist in Vorbereitung.

Rapid Manufacturing statt Rapid Prototyping

Das Verfahren eignet sich laut Nasa jedoch nicht nur zur Herstellung von Einzelstücken, sondern auch für die Serienfertigung - in dem Fall wird es Rapid Manufacturing genannt. Vor allem die Luftfahrtindustrie könnte davon profitieren und durch den Einsatz von Rapid Manufacturing Material und damit Kosten sparen - und gleichzeitig noch die Umwelt schonen: Wenn bei der Flugzeugherstellung ein 150 kg schweres Teil gefertigt wird, werde es aus einem 3.000 kg schweren Titanblock herausgefräst. Der Rest des Titans müsse wieder eingeschmolzen werden, erklärt Taminger. "Wird das Teil mit EBF3 aufgebaut, reichen 175 kg Titan. Um das Werkstück in seine endgültige Form zu bringen, werden dann vielleicht noch 25 kg weggefräst."

Aber die Nasa denkt noch viel weiter: In ferner Zukunft soll EBF3 in Raumstationen, wie sie auf dem Mond entstehen sollen, eingesetzt werden. Deren Bewohner können dann ihre Werkstücke vor Ort fertigen und so von Lieferungen von der Erde unabhängig sein.