Fokus auf Mehrmaterial-3D-Druck für Raketenantriebssysteme beim Fraunhofer IGCV

Die europäische Raumfahrtindustrie befindet sich im Wandel: Steigende Anforderungen an Flexibilität, Wirtschaftlichkeit und schnelle Entwicklungszyklen treiben die Modernisierung von Trägerraketen voran. Besonders Raketenantriebe sowie Systeme zur Lageregelung gelten als zentrale Kostentreiber bei der Herstellung moderner Raumfahrtsysteme. Im Rahmen eines europäischen Forschungsprojekts entwickeln Forschende am Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Verbund- und Verfahrenstechnik (IGCV) innovative Verfahren der additiven Fertigung für hochkomplexe Raketenkomponenten. Durch den Einsatz von 3D-Drucktechnologien sollen Produktionskosten reduziert, Entwicklungszeiten verkürzt und die Materialeffizienz deutlich verbessert werden. Gleichzeitig stärkt das Projekt die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen New-Space-Industrie und unterstützt einen unabhängigen, nachhaltigen Zugang Europas zum Weltraum.

Multimaterial-3D-Druck ermöglicht flexible und maßgeschneiderte Raumfahrtkomponenten

Im Zentrum der aktuellen Forschung steht die additive Fertigung komplexer Bauteile aus mehreren Werkstoffen gleichzeitig. Beim modernen Laserschmelzverfahren werden unterschiedliche metallische Pulver oder Legierungen präzise durch einen Laser aufgeschmolzen und gezielt miteinander verbunden. Dadurch entstehen hochfunktionale Komponenten, deren Materialeigenschaften, etwa Festigkeit, Temperaturbeständigkeit oder Korrosionsschutz, innerhalb eines einzigen Bauteils individuell angepasst werden können.

Die Technologie erlaubt es, Konstruktionen direkt digital zu verändern und ohne zusätzliche Werkzeuge unmittelbar zu produzieren. „Bauteile lassen sich am Computer flexibel anpassen und anschließend ohne Verzögerung fertigen“, erläutert Constantin Jugert, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Verbund- und Verfahrenstechnik (IGCV). Die hohe Anpassungsfähigkeit verkürzt Entwicklungszyklen erheblich, ermöglicht schnelle Design-Iterationen und reduziert Vorlaufzeiten in der Raumfahrtentwicklung um mehrere Wochen.

Multimaterial-Ventile als Schlüsseltechnologie für zukünftige Ariane-Raketenantriebe

Auf Basis der neu entwickelten additiven Fertigungstechnologie konnten die Forschenden einen funktionsfähigen Demonstrator für den Einsatz in Raketensystemen realisieren. Dabei entstand ein innovatives Ventilbauteil aus wechselnden magnetischen und nichtmagnetischen Stahllegierungen, das eine präzise Steuerung und stabile Ausrichtung der Rakete während des Flugs unterstützt. Durch die gezielte Kombination verschiedener Materialien innerhalb eines einzigen Fertigungsprozesses lassen sich mechanische und magnetische Eigenschaften exakt auf die Anforderungen moderner Raumfahrtanwendungen abstimmen.

Laboruntersuchungen bestätigen bereits eine hohe Bauteildichte sowie eine äußerst präzise Materialverteilung was entscheidende Voraussetzungen für den Einsatz in sicherheitskritischen Raumfahrtkomponenten sind. Aktuell vergleichen die Wissenschaftler ihren additiv gefertigten Prototyp mit konventionell gefrästen und geschweißten Referenzbauteilen, um Leistungsfähigkeit, Effizienz, Produktionskosten und Entwicklungszyklen systematisch zu bewerten. Ziel ist es, die technologischen Vorteile der additiven Multimaterialfertigung für kommende Generationen der europäischen Ariane-Triebwerke nachzuweisen und neue Maßstäbe im Raketenantrieb zu setzen.

Materialgrenzen im Multimaterial-3D-Druck: Neue Lösungen für stabile Werkstoffverbindungen

Die hohe Gestaltungsfreiheit additiver Fertigungsverfahren bringt zugleich neue technische Herausforderungen mit sich. Besonders die Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien gelten als kritische Bereiche, da hier strukturelle Schwachstellen entstehen können. Deshalb untersuchten Forschende in einem ergänzenden Forschungsprojekt gemeinsam mit der KU Leuven, wie sich Titan- und Nickellegierungen im Multimaterial-Laserschmelzprozess zuverlässig miteinander verbinden lassen.

Erste Versuchsreihen ohne zusätzliche Übergangsschicht führten zu fehlerhaften Materialübergängen sowie zur Bildung spröder Phasen, die die mechanische Stabilität beeinträchtigen können. Durch eine Kombination aus numerischen Simulationen und experimentellen Laboranalysen entwickelte das Forschungsteam schließlich eine Lösung: Eine ultradünne Zwischenschicht aus Molybdän verhindert den direkten Kontakt der Legierungen und ermöglicht dadurch eine stabile, stoffschlüssige Verbindung im Labormaßstab.

Die gewonnenen Erkenntnisse schaffen erstmals eine belastbare Grundlage für kontrollierte Materialübergänge im additiven Multimaterial-3D-Druck. Damit rücken besonders leichte, hochintegrierte und funktionsoptimierte Raumfahrtbauteile in greifbare Nähe – ein entscheidender Fortschritt für zukünftige Hochleistungsanwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik.

Prozessüberwachung in der Raumfahrtproduktion

Neben technologischer Leistungsfähigkeit rücken zunehmend Nachhaltigkeit und Prozessintelligenz in den Fokus der additiven Multimaterialfertigung. Um wirtschaftliche und ökologische Vorteile gleichermaßen zu realisieren, arbeiten Forschende um Constantin Jugert am Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Verbund- und Verfahrenstechnik (IGCV) an neuen Konzepten für Pulvermanagement und Qualitätssicherung in der additiven Produktion.

Ein speziell entwickeltes magnetisches Trennsystem ermöglicht es, während des Druckprozesses vermischte Metallpulver automatisch zu separieren und erneut einzusetzen. Dadurch lassen sich Materialverluste reduzieren, Produktionskosten senken und gleichzeitig CO₂-Emissionen minimieren. Perspektivisch soll eine intelligente Prozessüberwachung entstehen, bei der Thermografie, Sensorik und datenbasierte Regelalgorithmen jede einzelne Schmelzschicht in Echtzeit analysieren und die Fertigungsparameter selbstständig optimieren. Diese datengetriebenen Ansätze gelten als entscheidender Schritt hin zu stabilen Serienprozessen und skalierbarer additiver Fertigung für die industrielle Raumfahrtproduktion.

An den europäischen Forschungsinitiativen Enlighten und Enlighten-ED sind mehr als ein Dutzend Forschungseinrichtungen sowie Industrieunternehmen beteiligt. Die Projekte werden bis Anfang 2027 mit rund 38 Millionen Euro gefördert und verfolgen das Ziel, Multimaterial-3D-Drucktechnologien zur industriellen Reife zu führen. Als zentraler Industriepartner bringt die ArianeGroup ihre Expertise aus realen Raumfahrtprogrammen ein und unterstützt die Vorbereitung der Integration neuer Fertigungstechnologien in zukünftige europäische Trägerraketen.

„Unser Ziel ist es nicht nur, die aktuellen Möglichkeiten des Multimaterial-3D-Drucks zu demonstrieren. Mit dem Projekt Enlighten schaffen wir die Grundlage für eine nachhaltige, flexible Serienproduktion von Raketenkomponenten und stärken damit langfristig die technologische Unabhängigkeit Europas im Weltraum“, erklärt Jugert.