3D-Druck-Komponente für die Beseitigung von „unkooperativem“ Weltraumschrott

• Was wurde benötigt: zwei NEMA 11-Schrittmotoren, 3D-gedruckte Mutter aus iglidur J260 tribofilament, Kunststoffgleitfolie Tribo-Tape aus iglidur V400
• Herstellungsverfahren: Filamentextrusion (FDM)
• Anforderungen: Temperatur- & Druckbeständigkeit der Komponenten, langlebig und Leichtbau Design, zuverlässiger Auswurfmechanismus
• Material: iglidur J260
• Branche: Raumfahrtindustrie
• Erfolg durch die Zusammenarbeit: Schrittmotoren und Gewindespindel garantieren zusammen mit der Kunststoff-Gleitfolie einen zuverlässigen Auswurf

Die Anwendung auf einen Blick:
Um Weltraumschrott erfolgreich einsammeln zu können, müssen erst Testdaten über die Bewegung der Teile im Weltraum gesammelt werden. Dafür hat ein Team aus sechs Studierenden der Universität Bremen und der Hochschule Bremen ein Raketenmodul entwickelt, das mit Sensoren und Kameras die Bewegung und Position von Objekten im All anhand eines ausgeworfenen Testkörpers aufzeichnet. Für den Auswurfmechanismus kamen zwei parallel eingesetzte Gewindetriebe zum Einsatz. Die Gewindetriebe waren dabei extremen Belastungen, wie Temperaturen von +200 °C durch die Luftreibung, ausgesetzt und mussten zuverlässig funktionieren. An dieser Stelle kamen die Komponenten von igus zum Einsatz: Die drylin Spindelantriebe wurden von jeweils einem NEMA 11-Schrittmotor angetrieben. Die Halterung für den Testkörper war an einer 3D-gedruckten Gewindemutter aus dem tribofilament iglidur J260-PF befestigt. Mit einer Kunststoffgleitfolie wurde sichergestellt, dass der Testkörper aus der Halterung rutscht und sich von der Rakete entfernt.

Im Projekt UB-Space arbeiteten sechs Studierende an dem Problem, Weltraumschrott wieder „einzusammeln“ und zu entsorgen. Um dieses Projekt zu realisieren, benötigte das Team um Leiterin Maren Hülsmann allerdings ausreichend Testdaten was die Bewegung von Objekten im Weltall anging. Dafür wollten sie einen würfelförmigen Testkörper in der Thermosphäre auswerfen und diesen mit Kameras und Sensoren beobachten, um dort die benötigten realen Daten zu sammeln. Für die Komponenten des Auswurfmechanismus, mit dem das Objekt von der Rakete abgeworfen werden sollte, brauchte das Team zuverlässige Materialien. Diese mussten den besonderen, den Weltraum betreffende Anforderungen entsprechen, wie begrenztem Bauraum und Gewicht, sowie Energieverbrauch und eine gute Druck- und Temperaturbeständigkeit haben.

Mit den für Gleitanwendungen optimierten Materialien von igus fand das Team schnell geeignete Komponenten für den geplanten Auswurfmechanismus. Dieser bestand aus zwei NEMA 11-Schrittmotoren, die wiederum jeweils über eine Kupplung mit einer Gewindespindel verbunden waren. Diese Konstruktion war mit einer 3D-gedruckten Mutter aus iglidur J260-PF an der Raketenwand montiert. Die Lauffläche des Auswurfschachtes wurde mit Tribo-Tape aus iglidur V400 ausgekleidet, damit das Testobjekt reibungsfrei ausgeworfen werden konnte.

Nicht nur auf der Erde existiert ein großes Müllproblem. Bei über 1.000 Satelliten, die um den blauen Planeten kreisen, findet sich nach jahrzehntelanger Raumfahrt auch eine ganze Menge Müll im Weltall. Mittlerweile zählt man mehr als 30.000 Objekte in der Erdumlaufbahn, die für aktive Satelliten sehr gefährlich werden können. Diese Objekte können Geschwindigkeiten von bis zu 25.000 km/h erreichen und somit bei einer Kollision hohe zerstörerische Energien freisetzen. Den Müll im All wieder einzusammeln und vernünftig zu entsorgen ist Ziel des Projekts UB-Space. Das sechsköpfige, interdisziplinäre Team bestehend aus Studierenden der Universität und Hochschule Bremen hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Bewegung dieser sogenannten „unkooperativen Objekte“ im Weltall zu analysieren, um eine entsprechende Müllsammelaktion zu ermöglichen. Dazu wird ein in einem Raketenmodul installierter Testkörper in der Thermosphäre freigesetzt. Die Position und Bewegung der sogenannten „Free Falling Unit“ (FFU) wird nach Auswurf von Sensoren und einem Kamerasystem genau aufgezeichnet und somit eine reale Berechnungsgrundlage für das Team geschaffen.

Um diese FFU zuverlässig zum richtigen Zeitpunkt auswerfen zu können, entwickelte das UB-Space Team eine spezielle Mechanik für das Raketenmodul. Der Einsatz der Mechanik im Weltraum unterscheidet sich allerdings deutlich von gewöhnlichen Einsätzen auf der Erde. Laut Schiffstechnik-Student Oliver Dorn sind sowohl der Energieverbrauch als auch das Gewicht und der Bauraum begrenzt. Außerdem ergeben sich durch die Luftreibung Temperaturen von bis zu +200 °C. Nach mehreren Tests entschied sich das Team für ein Antriebssystem aus zwei parallel eingesetzten Gewindespindeln, die die Einheit ausfahren, in der sich die FFU befindet. Als Öffnung für die Einheit dient eine Klappe, die vorher abgesprengt wird. Angetrieben werden die Edelstahlspindeln aus dem igus drylin Programm von je einem NEMA 11-Schrittmotor. Dabei legen sie einen Weg von 150 Millimetern bei hohem Drehmoment und niedriger Geschwindigkeit von 3cm/s zurück. Die Gegenseite der Konstruktion ist mit einer 3D-gedruckten Mutter aus iglidur J260-PF an der Raketenwand montiert. Damit die FFU möglichst reibungslos ausgeworfen werden kann, ist der Auswurfschacht mit der Kunststoffgleitfolie Tribo-Tape aus iglidur V400 ausgekleidet. Die Werkstoffe von igus sind genau für solch eine Verwendung bestens geeignet, da sie durch ihre optimalen Gleiteigenschaften einen verkantungsfreien und energieeffizienten Auswurf gewährleisten. Außerdem sind sie druck- und temperaturbeständig und haben ein geringes Gewicht, was für die besonderen baulichen Anforderungen ausschlaggebend war.

Neben dem eingesetzten tribofilament iglidur J260-PF bietet igus weitere Filamente für den 3D-Druck an. Wie der Name schon vermuten lässt, sind die Filamente tribologisch optimiert und eignen sich für jegliche Anwendungen, bei denen es um Reibung und Verschleiß geht. Gerade in solchen Anwendungen profitieren die Kundinnen und Kunden von einer hohen Lebensdauer und von Temperaturbeständigkeiten von bis zu 180 °C. Gleichzeitig lassen sich dank des Druckverfahrens komplizierte Geometrien in einem Durchgang herstellen. Das additive Verfahren eignet sich besonders für Sonderteile für Prototypen oder Kleinserien, da die Produktionskosten günstiger sind und sich somit auch schon ab Stückzahl 1 lohnen.