NASA erstellt 3D-Objekte mittels Elektronenstrahl

Forscher des Langley Research Center der NASA haben eine Methode entwickelt, welche die automatische Erstellung von 3D-Objekten ermöglicht. Materialien wie Aluminium werden dabei mithilfe eines Elektronenstrahls geschmolzen und Schicht für Schicht zu einem beliebigen 3D-Objekt zusammengefügt.

Dabei verspricht die Technik namens Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3) vor allem enorme Material- und Kosteneinsparungen gegenüber herkömmlichen Methoden zur Herstellung von Metallteilen. Mittelfristig sollen mit dem Elektronenstrahl und geschmolzenen Materialien hergestellte Bauteile beispielsweise im Flugzeugbau, später auch in der Raumfahrt Verwendung finden. „Es beginnt mit einem dreidimensionalen Computermodell. Dann drückt man auf einen Knopf und heraus kommt das gewünschte Teil“, erklärt Karen Taminger, die technische Verantwortliche bei dem Projekt.

Auf den ersten Blick erinnert die neue NASA-Technik an den Replikator aus Star Trek, der der Mannschaft in ihren Quartieren zur Verfügung steht und auf Wunsch alle erdenklichen Speisen quasi aus dem Nichts herstellt. In der Realität arbeitet EBF3 in einem luftleeren Raum, wo der Elektronenstrahl auf eine konstante Metallquelle fokussiert wird. Das Metall schmilzt und wird dann – Schicht für Schicht – den zugrunde liegenden 3D-Skizzen entsprechend aufgetragen. Dadurch ist die Technologie im Vergleich zu ihrem Science-Fiction-Pendant zwar limitiert, einige Einsatzgebiete sieht man bei der NASA aber dennoch schon. Im Flugzeugbau und auch in der Raumfahrt würden sich interessante neue Möglichkeiten eröffnen. Taminger zufolge dürfte die kommerzielle Nutzung von EBF3 nicht mehr lange auf sich warten lassen. Das System sei bereits erfolgreich getestet worden und binnen einiger Jahre könnten bereits erste Flugzeuge mit im Elektronenstrahl-Verfahren hergestellten Teilen ausgestattet sein.

Die Herstellung von 3D-Objekten durch das schichtweise Auftragen von Materialien ist indes nichts neues. So kamen beispielsweise schon im vergangenen Jahr 3D-Drucker, die Modelle mithilfe von Papier und Kleber druckten. Kürzlich sorgten auch Forscher der University of Washington für Aufsehen, denen es gelang, Glas als zugrundeliegendes Material für den 3D-Druck zu verwenden (pressetext berichtete: http://pressetext.com/news/090925016/). Bei bisherigen 3D-Druckern kommt in der Regel ein Materialpulver in Kombination mit einem flüssigen Bindemittel zum Einsatz, womit sich das Verfahren von der EBF3-Methode unterscheidet, die auf geschmolzenes Material setzt.

Damit Objekte tatsächlich mit der Neuentwicklung der NASA hergestellt werden können, müssen sie allerdings zwei Voraussetzungen erfüllen. Zum einen muss ein detailliertes 3D-Modell vorhanden sein, das das gewünschte Objekt in Schichten aufteilt und so Anhaltspunkte liefert, an welchen Stellen wie viel geschmolzenes Material aufgetragen werden muss. Zum anderen muss auch das für den Bau des Objekts vorgesehene Material kompatibel mit dem Elektronenstrahl sein. Es muss durch den Energiestrahl in eine flüssige Form gebracht werden können. Ideal sind somit beispielsweise Metalle wie Aluminium. EBF3 kann dabei sogar auf zwei verschiedene Materialquellen gleichzeitig zugreifen und so beispielsweise Gegenstände mit besonderen Legierungen herstellen. Sind die Voraussetzungen erfüllt, steht der Herstellung von Metallteilen in dem neuen Verfahren nichts mehr im Wege. Dadurch eröffnen sich auch einige Vorteile. Normalerweise würde ein Flugzeugbauer mit einem 2,7 Tonnen schweren Metallblock anfangen und aus ihm das gewünschte 140-Kilo-Teil herstellen, heißt es vonseiten der NASA. Der Rest wäre Abfall, müsste recycled werden. „Mit EBF3 kann man das gleiche Teil mit nur 160 Kilo Materialaufwand herstellen. Und auch der Stromverbrauch für die Herstellung des Teils wäre geringer“, so Taminger.

Der nächste Schritt nach den bereits erfolgreich durchgeführten Tests auf der Erde sei nun, das System in der Schwerelosigkeit und langfristig auch im All zu testen. Zunächst wird EBF3 in Parabelflügen, später auf der Internationalen Raumstation ISS erprobt werden. Langfristig könnte das System beispielsweise auch bei Mond-Missionen Anwendung finden. Astronauten könnten aus auf dem Erdtrabanten verfügbaren Rohstoffen oder alten, eingeschmolzenen Raumfahrzeugen auf diese Weise Ersatzteile selber herstellen und wären nicht mehr auf Versorgungsflüge von der Erde angewiesen.