Sollten Menschen eines Tages eine langfristige Präsenz auf dem Mars etablieren, stehen sie fast unmittelbar vor einer großen Herausforderung in der Fertigung. Werkzeuge werden kaputtgehen. Teile werden verschleißen. Geräte werden Reparaturen benötigen. Doch im Gegensatz zur Erde gibt es keine nahegelegene Lieferkette, keine Ersatzteile, die über Nacht eintreffen, und kein Lagerhaus, das mit Ersatzkomponenten gefüllt ist.
Das ist ein Grund, warum Forscher weiterhin untersuchen, wie die additive Fertigung (AM) zukünftige Weltraummissionen unterstützen könnte. Eine neue Studie der University of Arkansas befasst sich nun mit einem kleinen, aber wichtigen Teil dieses Puzzles: Ob Metall-3D-Druck in einer Atmosphäre, die der auf dem Mars ähnelt, funktionieren könnte.
Die Forschung wurde von Zane Mebruer geleitet, der die Arbeit als Student des Maschinenbaus an der Universität unter der Aufsicht von Assistenzprofessor Wan Shou absolvierte. Die Ergebnisse wurden in einer Studie mit dem Titel „Exploring Metal Additive Manufacturing in Martian Atmospheric Environments“ im Journal of Manufacturing and Materials Processing veröffentlicht.
Mebruers Forschung erklärt, dass eine der Herausforderungen darin besteht, dass die meisten Metall-AM-Systeme während der Produktion auf Argon-Gas angewiesen sind. Das Gas schützt geschmolzenes Metall vor Oxidation, während Teile Schicht für Schicht aufgebaut werden. Ohne diesen Schutz können sich im Inneren der Komponente Defekte bilden, die das Endteil schwächen. Das Problem ist jedoch, dass Menschen, die sich auf dem Mars niederlassen, keinen Zugang zu großen Mengen Argon haben würden, und der Transport von der Erde wäre teuer. Auch die Produktion auf dem Mars würde zusätzliche Ausrüstung und Ressourcen erfordern.
Die Marsatmosphäre besteht zu über 95 % aus Kohlendioxid. Anstatt große Mengen Spezialgas von der Erde zu versenden, wollten die Forscher sehen, ob Metall-Druck direkt in einer Kohlendioxid-Umgebung durchgeführt werden kann. Wenn dies möglich wäre, könnten zukünftige Siedler möglicherweise auf den Planeten verfügbare Ressourcen nutzen.
Für diese Aufgabe verwendete das Team ein kundenspezifisches Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB)-System, das an der University of Arkansas entwickelt wurde, um einfache Testproben aus 316L-Edelstahl zu drucken. Ausgestattet mit einem 500-Watt-IPG-Faserlaser und einer abgedichteten Kammer, die mit verschiedenen Gasen gefüllt werden konnte, ermöglichte das System den Forschern, den Druck unter Argon-, Kohlendioxid- und normalen Luftbedingungen zu vergleichen. Die Proben wurden anschließend auf Oberflächenqualität, Oxidation und strukturelle Kohäsion untersucht.
Übersicht über das experimentelle Setup für PBF-LB mit einer künstlichen Umgebung. Bild mit freundlicher Genehmigung der University of Arkansas.
Argon lieferte immer noch die insgesamt stärkste Leistung, was nicht überraschend war. Was die Aufmerksamkeit der Forscher jedoch auf sich zog, war, dass die Kohlendioxid-Umgebung deutlich besser abschnitt als normale Luft. Die Teile waren nicht so gut wie die mit Argon hergestellten, aber sie schnitten gut genug ab, um weitere Forschung zu fördern.
„Es ist ein Proof of Concept“, sagte Shou, der Mebruer bei der Konzeption der Arbeit half und die Forschung in seinem Labor beaufsichtigte.
Die Forschung befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium. Das Team