Carbon REinforced Additive manufacturing Technology Experiment

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Ein Teil der Mitglieder der ERIG e.V. beschäftigen sich derzeit mit der Entwicklung des Experiments CREATE. Mit diesem nehmen die Studierenden an dem REXUS/BEXUS-Programm von DLR, ZARM, SSC, SNSA und ESA teil. Das REXUS/BEXUS- Programm ermöglicht es Studierenden eine wissenschaftliche Nutzlast an Bord einer Höhenforschungsrakete ins Weltall zu transportieren. Dafür stehen ihnen die finanzielle Unterstützung sowie wissenschaftliche Expertise von DLR, ZARM, SSC, SNSA und ESA zur Verfügung.
Während des Flugs befinden sich die Experimente an Bord der Rakete zeitweise in Mikrogravitation, was für wissenschaftliche Experimente interessant ist, um den Einfluss der Gravitation auf bestimmte Prozesse zu untersuchen. In den vergangenen Jahren hat die ERIG e.V. bereits zweimal erfolgreich am REXUS/BEXUS- Programm teilgenommen.

Bei dem aktuellen REXUS- Experiment handelt es sich um CREATE. CREATE steht für Carbon REinforced Additive manufacturing Technology Experiment und beschäftigt sich mit faserverstärktem 3D-Druck. Das Ziel des Experiments besteht in der Untersuchung des Einflusses der Gravitationskraft auf den Prozess des faserverstärkten 3D-Drucks.
Bei allen 3D-Druck Verfahren wird ein Filament, meist PLA, aufgeschmolzen und anschließend an die gewünschte Stelle und in gewünschter Weise extrudiert. Bei faserverstärktem 3D-Druck wird das aufgeschmolzene Filament zusätzlich mit Kohlefasern versetzt, sodass das entstandene Komposit ein Verbund aus Kohlefaser und Filament ist. Dies verbessert die Materialeigenschaften des gedruckten Komposits und ermöglicht einen facettenreicheren Einsatz von 3D-gedruckten Produkten. Darüber hinaus eignet sich diese Methode aufgrund der höheren Druckflexibilität, der Ressourceneffizienz und des kompakten Fertigungsaufbaus optimal für die Anwendung im Weltraum.
Allerdings entstehen bei dem gemeinsamen Extrudieren von Kohlefasern und Filament Hohlräume an der Faser-Matrix-Grenzfläche (sog. Voids). Diese wirken sich negativ auf die Materialeigenschaften des Komposits aus. Um die Verbundwerkstoff-Fertigungstechnologien zu verbessern, ist es nötig den Prozess des faserverstärkten 3D-Drucks und im Besonderen die Bildung der Voids näher zu verstehen.

Voids

Quelle: Pappas, John & Thakur, Adi & Leu, Ming & Dong, Xiangyang. (2021). A parametric study and characterization of additively manufactured continuous carbon fiber reinforced composites for high-speed 3D printing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 113. 1-15. 10.1007/s00170-021-06723-1. 

Geschmolzener thermoplastischer Kunststoff verhält sich wie eine nicht-newtonsche Flüssigkeit, die unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen eine Veränderung der Benetzbarkeit aufweist. In der Schwerelosigkeit könnte die Umschließung der Fasern vom PLA somit gleichmäßiger ausfallen und damit die Materialeigenschaften des produzierten Verbundwerkstoffs verbessern. Um dies genauer zu untersuchen, soll mit dem Experiment CREATE faserverstärktes Komposit an Board einer REXUS-Rakete in Mikrogravitation gedruckt werden.
Außerdem sollen mit dem gleichen Aufbau Kompositproben auf der Erde bei einer Erdbeschleunigung von 1g hergestellt werden. Die verschiedenen Kompositproben sollen dann im Hinblick auf ihre Materialeigenschaften sowie mikroskopisch untersucht und verglichen werden.
CREATE trägt damit dazu bei, den Weg für die Fertigung im Weltraum zu ebnen, indem wichtige Grundlagenforschung auf dem relativ neuen Gebiet der faserverstärkten additiven Fertigung betrieben wird. Wichtige, vielschichtige Aspekte wie die Auswirkung der Schwerkraft auf die Festigkeit des Verbundwerkstoffs, die Dichte, die Benetzung der Fasern, die Hohlräume zwischen und innerhalb der Schichten usw. können durch das vorgeschlagene Experiment effizient bewertet und beurteilt werden. Auf diese Weise wird die wissenschaftliche Grundlage für das Streben der Menschheit nach der Möglichkeit der Fertigung im Weltraum geschaffen. Gleichzeitig können Wege zur Verbesserung der Verbundwerkstoff-Fertigungstechnologien für terrestrische Anwendungen aufgezeigt werden.

Funktionsprinzip von CREATE

Das grundlegende Funktionsprinzip von CREATE ähnelt dem eines Fused Deposition Modeling-Geräts, das allgemein als 3D-Drucker bekannt ist. Ein schematischer Überblick über das Versuchskonzept ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Overview

Funktionsprinzip von CREATE

Die Filamentspule trägt das Polylactid (PLA)-Filament, das einen Durchmesser von 2,85 mm hat. Das Filament wird durch einen Zuführungsmechanismus, auch als Extruder bezeichnet, transportiert. Von dort gelangt das Filament in ein Hotend. Zusätzlich zum Filament wird ein Kohlenstofffaserbündel aus etwa eintausend Einzelsträngen in das Hotend eingeführt. Dort wird das Filament bis zu seinem Schmelzpunkt erhitzt und das Faserbündel imprägniert. Der so entstandene Verbundwerkstoff wird durch eine Düse transportiert und extrudiert. Das extrudierte Material wird mit ein Gebläse gekühlt, um die Erstarrungszeit zu verkürzen. Das feste Komposit wird schließlich mit einem Antriebsmechanismus auf die Kompositspule gezogen. Der gesamte Prozess wird von einer Kamera und einer Wärmebildkamera gefilmt.

Prototyp Sammansatt

Es wurde bereits ein erster Prototyp des Experiments aufgebaut. Mit diesem war es bereits möglich erste Kompositproben zu drucken. Derzeit arbeiten wir daran den Prototypen weiterzuentwickeln und erkannte Schwachstellen auszubessern.

overviewSammansatt

Aktueller Prototyp des Experiments CREATE