Flexibler Konstruieren dank 3D-Druck

Die Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz – kurz ARIS – ist ein Studentenverein, der sich für mehr Aerospace-Themen an Schweizer Akademien einsetzt. Dieser Bereich sei in den Curricula der Universitäten und Hochschulen unterrepräsentiert. Der Verein bietet deshalb mehr als 120 Studierenden in der Deutschschweiz die einzigartige Möglichkeit, Raketen und Raketenmotoren zu entwickeln, zu konstruieren und zu testen. Dabei beschränkt man sich jedoch keineswegs auf die Naturwissenschaften: Es werden Studierende aus diversen Fachrichtungen wie Maschinenbau, Elektrotechnik oder auch Management zu interdisziplinären Teams zusammengeführt. In Zukunft will man so technisch als auch wissenschaftlich zu den Schweizer Main Players im Bereich der Raumfahrt zählen.

Mit Projekt EULER zur ersten Überschallrakete
Ein konkretes Ziel von ARIS ist es, den jährlich stattfindenden Spaceport America Cup (SPAC) zu gewinnen. Dieser Wettbewerb zieht jedes Jahr mehrere hundert Studententeams aus aller Welt in die Wüste New Mexicos, um dort in verschiedenen Kategorien Raketen gegeneinander antreten zu lassen. Für 2020 trägt das entsprechende Raketenprojekt von ARIS den Namen EULER – benannt nach dem Schweizer Mathematiker und Astronomen Leonhard Euler – und steht unter der technischen Leitung des Physikstudenten Michael Kerschbaum. «Ziel des Projekts ist es, ARIS’ erste Überschallrakete zu entwickeln und diese auf eine Höhe von fast 10’000 m zu fliegen», so Michael Kerschbaum. Und auch wenn der Cup dieses Jahr aufgrund der Covid-19-Pandemie nicht durchgeführt werden konnte, hält Michaels Team aus 35 motivierten Studierenden weiterhin an diesem Vorhaben fest.
Die Entwicklung einer Überschallrakete ist kein leichtes Unterfangen. Für ein Studentenprojekt kommt erschwerend hinzu, dass der Zugang zu industriel-len Fertigungsmethoden eingeschränkt ist und nur begrenzte finanzielle Mittel vorhanden sind. Deswegen greifen die Studierenden bei der Konstruktion ihrer Prototypen oft auf kosteneffiziente 3D-Druck-Technologien zurück – sowohl mit den hauseigenen FDM-Druckern (Fused Deposition Modeling), als auch durch gesponserte SLS-Druckteile (Selektives Lasersintern). Für das Team liegt der Hauptvorteil dieser additiven Fertigung in der grossen Flexibilität während der Designphase. «Der 3D-Druck erlaubt es uns, bei der Entwicklung von Ideen äusserst kreativ zu sein und neue Funktionen schnell zu integrieren», erklärt Michael Kerschbaum. So konnte beispielsweise eine Halterung eines neuen Bordcomputers rasch designt, 3D-gedruckt und nur wenige Tage vor einem Testlauf in die Rakete verbaut werden.

Sintratec sponsert lasergesinterte Bauteile
3D-Druckteile befinden sich bei ARIS in der Regel im Inneren der Raketen, denn dort sind die Materialanforderungen vergleichsweise gering. Komponenten an der Aussenseite des Flugkörpers hingegen müssen aerodynamisch optimiert werden, da sie den Luftwiderstand beeinflussen, und gleichzeitig robust genug sein, um den extremen Kräften beim Start standzuhalten. Bei solchen Anwendungen stossen FDM-Drucker schnell an ihre Grenzen, weshalb sich Team EULER nach Sponsoren im Bereich des selektiven Lasersinterns umschaute. Als einziger Schweizer Hersteller von SLS-3D-Druckern war mit Sintratec bald der passende Ansprechpartner gefunden, der den Studierenden die benötigten Bauteile kostenfrei auf dem Sintratec S2 System produzierte. Bei den aus stabilem Nylon (Sintratec PA12) gesinterten Parts handelt es sich um sogenannte Launch Lugs. «Dies ist ein ganz entscheidender Teil für den Flug der Rakete – wenn die Launch Lug in den ersten Augenblicken nicht hält, kann die Rakete nicht sicher von der Abschussschiene starten», betont Michael Kerschbaum.
Die Launch Lug ist dazu da, die Rakete beim Start entlang der Launch Rail sicher vom Launch Pad zu leiten. Man kann sich die Launch Rail wie eine Schiene vorstellen, in welchem der Launch Lug geleitet wird. Die starke Belastung während des Launches (der Launch Lug reibt entlang der Schiene mit Geschwindigkeiten von bis zu 200 km/h), stellt hohe Anforderungen an die Robustheit des verwendeten Materials. Mittels SLS-3D-Druck konnte die Launch Lug von Team EULER aerodynamisch optimiert und perfekt an die Launch Rail angepasst werden.

Erst Überschall – dann Orbit?
Nach über neun Monaten Entwicklung, Herstellung und Testing war das Team EULER im Juli 2020 dann bereit für den Jungfernflug. In den Schweizer Bergen nahe Luzern musste sich die Rakete mit den Sintratec-Teilen unter Beweis stellen – mit Erfolg: Der Start verlief fehlerfrei und die Launch Lugs hielten den Belastungen problemlos stand. Michael Kerschbaum haben die Materialeigenschaften der SLS-Komponenten überzeugt: «Die Sintratec Technologie ermöglicht eine hohe Flexibilität in der Herstellung bei gleichzeitig geringem Gewicht – beides Vorteile, welche für den Aerospace-Bereich wichtig sind. Ich kann mir viele Anwendungen vorstellen, wo solche Teile bei der Herstellung von Raketen oder Raketentriebwerken zum Zuge kommen könnten.»
Für den ersten Überschallflug ihrer Rakete müssen die Studierenden nun einen geeigneteren Ort mit mehr freiem Luftraum als die kleine Schweiz finden. Doch auch wenn man sich bei ARIS bis zum Durchbrechen der Schallmauer vorerst gedulden muss, bleiben die Ambitionen hoch: «Bis 2029 erhoffen wir uns zudem als erstes Studententeam etwas in die Umlaufbahn (Rakete, Satellit, Rover …) der Erde zu schicken!», betont Michael. Sintratec drückt dem Team die Daumen – und wer weiss, vielleicht werden wir dann nicht nur die erste Schweizer Rakete, sondern auch die ersten Schweizer SLS-Teile im Orbit bestaunen dürfen.

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