Fertigungsprozesse funktionieren völlig anders, wenn die Gravitation fehlt. Um auf Weltraummissionen beispielsweise Ersatzteile herstellen zu können, werden In-Space Manufacturing (ISM) Prozesse erforscht. Dazu gehört auch die additive Fertigung in Mikrogravitationsumgebungen, die Wissenschaftler*innen am Institut für Transport- und Automatisierungstechnik (ITA) der Leibniz Universität Hannover und am Institut für Partikeltechnik (iPAT) der TU Braunschweig im Projekt Lev4ISM erforschen.
Aufgrund der fehlenden Gravitation stellt die additive Fertigung in Mikrogravitationsumgebungen besondere Anforderungen an die Materialhandhabung. Konventionelle Verfahren wie das selektive Laserschmelzen (SLM) setzen eine mechanische Fixierung des Ausgangsmaterials sowie des entstehenden Bauteils voraus, um eine unkontrollierte Bewegung im Raum zu verhindern. Im Forschungsprojekt Lev4ISM arbeiten das ITA und das iPAT daran, eine solche Fixierung berührungslos zu realisieren – mittels akustischer Levitation. Dies eröffnet unter Mikrogravitationsbedingungen neue Möglichkeiten für die substratfreie und berührungslose Fertigung. Die bisher notwendigen Stützstrukturen sind dann obsolet. Dies kann das thermische Verziehen von Bauteilen verringern, Oberflächenkontaminationen vermeiden und das Handhaben von hoch korrosiven Stoffen ermöglichen.
Methodische Herangehensweise: Akustische Levitation und Lasermaterialbearbeitung
Im Lev4ISM-Projekt verfolgen die Forschenden einen innovativen Ansatz, der akustische Levitation mit Lasermaterialbearbeitung kombiniert, um eine substratfreie additive Fertigung in Mikrogravitation zu ermöglichen. Akustische Levitation basiert auf der Nutzung stehender Schallwellen, die akustische Fallen erzeugen, um Materie kontaktlos zu manipulieren – beispielsweise Pulver, Flüssigkeiten oder feste Objekte.
Im Forschungsprojekt wird ein Ultraschallsystem mit zwei sich gegenüberliegenden 16×16-Arrays aus individuell ansteuerbaren Transducern eingesetzt, um Partikel präzise zu positionieren und zu bewegen. Die Materialbearbeitung erfolgt durch einen IR-Faserlaser, der das Schmelzen und die Fusion der levitierten Proben ermöglicht. Materialien wie Polystyrol und Polyamid 12 (PA 12) wurden bereits erfolgreich levitiert und fusioniert, wodurch die Machbarkeit des Ansatzes demonstriert wurde.
Versuchsaufbau und Mikrogravitationsexperimente
Die experimentelle Validierung der Methode erfolgt im Einstein-Elevator der Leibniz Universität Hannover, einer Einrichtung, die etwa 4 Sekunden Mikrogravitation pro Flug ermöglicht. Der Versuchsaufbau umfasst neben dem Ultraschallsystem ein optisches Stereo-Kamera-System, das die Position der Partikel in Echtzeit mittels Computer Vision erfasst. Diese Daten dienen als Feedback für die Regelung der akustischen Felder, die durch dynamische Anpassung der Transducer-Phasen die Proben in drei Dimensionen bewegen können.
Des Weiteren wurde eine Kinematik zur automatisierten Probenpositionierung entwickelt, um eine hohe Anzahl an Versuchen mit gleichzeitig hoher Reproduktionsgenauigkeit zu ermöglichen. Die Tests im Einstein-Elevator sollen die Untersuchung neuartiger Fallengeometrien ermöglichen, welche die Manipulation von Objekten jenseits der Wellenlängenlimitation erlauben sollten.
Simulation und Regelung mittels Deep Reinforcement Learning
Zur Optimierung der akustischen Manipulation wurde eine Art digitaler Zwilling entwickelt, der die Auswirkungen der akustischen Felder auf die Proben simuliert. Der digitale Zwilling basiert auf numerischen Modellen, die die akustische Strahlungskraft resultierend aus dem Gor’kov-Potenzial beschreiben, und ermöglicht Sensitivitäts- und Grenzwertanalysen zur Verfeinerung der Prozessparameter.
Ergänzend wird an einem Deep Reinforcement Learning (Deep RL)-Agent gearbeitet, um die Steuerung der Probenbewegung zu optimieren. Der RL-Agent wird im simulierten Umfeld trainiert, um Strategien zu entwickeln, die entweder den kürzesten Weg zu einer Zielkoordinate oder die energieeffizienteste Bewegung der Partikel realisieren.
Nach der Validierung des digitalen Zwillings und der Kalibrierung des Algorithmus soll die Regelung in realen Experimenten umgesetzt werden, wobei die Probenpositionen über das Kamerasystem erfasst und die Transducer entsprechend angesteuert werden sollen.
Ein großer Schritt in Richtung autonomer Produktion im Weltraum
Die Ergebnisse des Lev4ISM-Projekts verdeutlichen das Potenzial der entwickelten Methode:
- Erfolgreiche Levitation und Manipulation von Polystyrolkugeln in Mikrogravitation
- Gezieltes Laserschmelzen levitierter Proben unter kontrollierten Bedingungen
- Entwicklung und Validierung eines digitalen Zwillings zur Optimierung der akustischen Manipulation
- Implementierung einer KI-gestützten Regelung durch Deep RL, die eine präzise und effiziente Probenbewegung ermöglicht
Die Kombination aus akustischer Levitation und Lasermaterialbearbeitung stellt einen bedeutenden Fortschritt für die substratfreie additive Fertigung in Mikrogravitation dar. Sie bietet die Grundlage für eine autonome, flexible und ressourceneffiziente Produktion im Weltraum, wodurch die Abhängigkeit von terrestrischen Lieferketten reduziert werden kann.
Darüber hinaus eröffnet die Methode Anwendungsperspektiven in weiteren Bereichen, wie der berührungslosen Materialhandhabung in der Halbleiterindustrie, der Kristallisation in der pharmazeutischen Forschung oder dem Flüssigkeitsmanagement im Weltraum. Zukünftige Forschungsarbeiten könnten die Integration magnetischer Levitation zur Handhabung metallischer Bauteile untersuchen, um höhere Prozessgeschwindigkeiten zu erreichen. Die Ergebnisse des Lev4ISM-Projekts legen eine fundierte Basis für die Weiterentwicklung dieser Technologie hin zu einer skalierbaren Lösung für die In-Space Manufacturing.
