3D-gedruckte Raketen sollen abheben

Wenn der Terran1-Start in diesem Sommer von Cape Canaveral aus ein Erfolg ist, Relativitätstheorie wird das erste Luft- und Raumfahrtunternehmen sein, das eine vollständig 3D-gedruckte Rakete ins All schickt. Kurz darauf rief ein kalifornisches Start-up an Launcher wird seine Orbiter-Satellitenplattform mit 3D-gedruckten Raketentriebwerken einsetzen, nachdem es von SpaceX in den Weltraum befördert wurde.

Die Auswirkungen des 3D-Drucks – auch additive Fertigung genannt – auf die Raumfahrtindustrie sind kaum zu überschätzen. Keine andere Technologie hat es so vielen Unternehmen ermöglicht, in diese Branche einzusteigen und Fahrzeuge, Motoren und Raketen in so kurzer Zeit und zu so geringen Kosten zu liefern. Und jetzt steht die Zahl der Start-up-Raketenhersteller vor einem Boom, da immer mehr kommerziell erhältliche 3D-Drucker der Aufgabe gewachsen sind, weltraumtaugliche Komponenten herzustellen.

Zum Beispiel ein in Großbritannien ansässiges Luft- und Raumfahrtunternehmen Orbex hofft, dass seine 3D-gedruckten Raketen, die mit dem neuesten Metall-3D-Drucker des deutschen Herstellers EOS hergestellt wurden, bis Ende des Jahres von Schottland aus starten werden. Und in den USA ein junger Hersteller von Raketentriebwerken Ursa Major nimmt jetzt Bestellungen für seinen neuen Arroway-Antriebsmotor entgegen, der die jetzt nicht mehr verfügbaren in Russland hergestellten Antriebsquellen ersetzen soll. Es wird auch mit verfügbaren Metall-3D-Druckern in 3D gedruckt.

„Ich glaube nicht, dass unser Unternehmen ohne 3D-Druck existieren würde“, sagt Jake Bowles, Direktor für fortschrittliche Fertigung und Materialien bei Ursa Major, der fünf Jahre bei SpaceX verbracht hat. „Unsere Entwicklung war eng mit der Existenz und der Reife des 3D-Drucks verbunden.“

Ursa Major wollte einen Motor viel schneller als bisher auf den Markt bringen, und zwar in Monaten und nicht Jahren, was nur durch Prototyping und Fertigung mit 3D-Druckern möglich war, sagt Bowles.

Während Relativity Space und andere proprietäre 3D-Drucktechnologie für ihre Raketen entwickelt haben, konnte Ursa Major laut Bowles durch den Einsatz neuer kommerzieller 3D-Drucker die Kosten unter Kontrolle halten und Designs schnell iterieren, ohne sich über die frühe Technologieentwicklung stolpern zu lassen, die für selbstgebaute 3D-Drucker erforderlich ist .

„Unser Team evaluiert ständig neue 3D-Druckerunternehmen, die Innovationen hervorbringen, da es einen großen Wettbewerb um einen Anteil am Luft- und Raumfahrtmarkt gibt“, sagt Bowles. Laut Strategic Market Research wird der weltweite Markt für 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt bis 9.27 voraussichtlich 2030 Milliarden US-Dollar erreichen.

Unternehmen wetteifern darum, Unternehmen wie Amazon die leistungsstärksten, flexibelsten und günstigsten Optionen anzubietenAMZN
, die Satelliten in die Umlaufbahn bringen wollen, um globales Breitband bereitzustellen, hochauflösende Bilder von Aktivitäten auf der Erde aufzunehmen und sogar private Raumstationshotels für die Superreichen einzurichten.

3D-Druck treibt den Wettlauf um die Kommerzialisierung des Weltraums voran

Da die additive Fertigungstechnologie die Startkosten im Vergleich zum Space-Shuttle-Programm der NASA um bis zu 95 % senkt, ist die Tür für mehr Dienste aus dem Orbit geöffnet, was zu einem harten Wettbewerb unter den Raketenherstellern führt. Der Firmenslogan von Launcher liest sich wie eine Walmart-Werbung: „Überall im Weltraum zu den niedrigsten Kosten.“

Durch die Reduzierung der Kosten für den Einsatz von Satelliten in Millionenhöhe konnte kürzlich Launcher-Finanzierung von der US Space Force eingeworben werden, um ihr 2D-gedrucktes Hochleistungs-Flüssigkeitsraketentriebwerk E-3 für die Trägerrakete Launcher Light weiterzuentwickeln, die 2024 fliegen soll. US Space Force sagte: „Das E-2-Flüssigkeitsraketentriebwerk von Launcher hat das Potenzial, den Preis für die Beförderung kleiner Satelliten in die Umlaufbahn mit speziellen kleinen Trägerraketen erheblich zu senken, was eine Schlüsselfähigkeit und Priorität für die Space Force darstellt.“

Um Kosten zu senken und die Produktion zu beschleunigen, verwendet Launcher außerdem 3D-Drucker von EOS sowie das in Kalifornien ansässige Unternehmen Velo3D.

„Turbopumpenteile für Raketentriebwerke müssen typischerweise gegossen, geschmiedet und geschweißt werden“, sagt Max Haot, Gründer und CEO von Launcher. „Die für diese Prozesse erforderlichen Werkzeuge erhöhen die Entwicklungskosten und verringern die Flexibilität zwischen Entwurfsiterationen. Die Möglichkeit, unsere Turbopumpe, einschließlich rotierender, mit Inconel ummantelter Laufräder, dank der Null-Grad-Technologie von Velo3D in 3D zu drucken, macht dies jetzt zu geringeren Kosten und mehr Innovation durch Iteration zwischen den einzelnen Prototypen möglich.“

Bei traditionellen Fertigungsmethoden für die Luft- und Raumfahrt hört man häufig von Vorlaufzeiten von neun bis zwölf Monaten und enormen Werkzeugkosten für den Bau und Test, etwa bei einem pumpengespeisten, sauerstoffreichen Verbrennungsmotor mit Stufen, sagt Eduardo Rondon, leitender Antriebstechniker Analyst bei Ursa Major, ein weiterer SpaceX-Veteran. „Die additive Fertigung ermöglicht es uns, ein neues Design auf den Prüfstand zu stellen, uns für eine Änderung zu entscheiden, an einer alternativen Architektur zu arbeiten, sie zu drucken und sie innerhalb weniger Wochen auf den Prüfstand zu bringen.“

Orbex 3D druckt seine Raketen auf demselben Druckertyp wie Launcher, dem AMCM M4K-4 Metalldruckplattform von EOS, die 2021 auf den Markt kam. Das Unternehmen hat auch Metall-3D-Drucker des deutschen Unternehmens SLM Solutions verwendet.

3D-Druck nicht nur für Start-ups

Der 3D-Druck hat im Weltraum eine lange Geschichte, seit SpaceX 3 sein 2013D-gedrucktes SuperDraco-Raketentriebwerk vorstellte.

Der Luft- und Raumfahrtriese Aerojet RocketdyneAjrd
hat seine Bantam-Raketentriebwerksfamilie im Jahr 2017 neu gestaltet und dabei die Möglichkeiten der additiven Fertigung voll ausgenutzt, die die gesamte Konstruktions- und Fertigungszeit von mehr als einem Jahr auf einige Monate verkürzen und gleichzeitig die Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden um etwa 65 % senken.

„Diese Motoren, die normalerweise aus über 100 Teilen bestehen würden, bestehen nur aus drei additiv gefertigten Hauptkomponenten: der Einspritzdüsenbaugruppe, der Brennkammer und einem monolithischen Hals- und Düsenabschnitt“, sagt das Unternehmen.

Rocket Lab, ein weiterer Pionier bei kommerziellen Satellitenstarts, brachte 3 erstmals sein leichtes, 2017D-gedrucktes Raketentriebwerk Rutherford auf den Markt. Seine Brennkammer, Injektoren, Pumpen und Haupttreibstoffventile sind alle 3D-gedruckt und haben bereits 27 Starts angetrieben. einschließlich der diese Woche.

Am Dienstag, Rocket Lab's Der Rutherford-Motor trieb die Electron-Rakete des Unternehmens von Neuseeland aus mit einer NASA-Nutzlast an, die zum Mond unterwegs war.

Trotz der Tatsache, dass die NASA und erfahrene Startveteranen die additive Fertigung jahrelang getestet, validiert und in ihre Programme integriert haben, sind die heutige kommerzielle 3D-Drucktechnologie und fortschrittliche Metalllegierungsmaterialien so schnell ausgereift, dass Unternehmen wie Launcher, Ursa Major und Orbex darauf zugreifen können Vom Prototyp bis zur Markteinführung in kürzerer Zeit und für weniger Geld.

„Wir haben vom ersten Tag an damit begonnen, rund um den 3D-Druck zu entwerfen und die Möglichkeiten zu nutzen, die er bietet“, sagt Bowels. „Dadurch konnten wir internes Know-how zur Optimierung von Designs für den 3D-Druck aufbauen, das wir dann auf neue Motoren anwenden können, die wir entwickeln und verkaufen müssen, um die Marktnachfrage zu befriedigen.“ Und wenn wir bereits wissen, wie das geht, können wir schneller auf den Markt kommen.“