Mission to the Moon - Der lunar quattro Mondrover

400 Watt stark ist der Diodenlaser, der Schicht für Schicht eines vorprogrammierten Musters in den feinen Aluminiumstaub AlSi10MgSrbrennt.

  

20 Jahre und länger ist der Werkstoff AlSi10MgSr im Aluguss der Audi Space Frame Karosserien bereits im Einsatz und erprobt.

Fein wie Mondstaub glitzert silbrig eine dünne Pulverschicht auf der Druckerplatte. Die gleißenden Strahlen eines 400-Watt-Diodenlasers malen mit spielerischer Ruhe und präziser Bestimmung nahezu lautlos von einer Computersoftware vorgegebene Bahnen in das Pulver der speziellen Aluminiumlegierung AlSi10MgSr. Entlang der Bahnen bringt die Laserenergie das Pulver zum Schmelzen, und die erste Lage eines Formteils erstarrt. Die Bauplatte fährt unmerklich nach unten, der Drucker trägt eine neue 0,05 Millimeter (der Durchschnitt eines menschlichen Haares) dünne Schicht AlSi10MgSr auf die Platte auf, und der Laser brennt die nächste Ebene aus dem Aluminium-Silizium-Magnesium-Strontium-Staub. In kleinsten Mikroschritten arbeitet sich der Audi Aluminium 3D-Drucker nach unten. Unzählige Male. Ein Belichtungsintervall beträgt etwa 30 Sekunden. Nach 20 Schichten ist eine Bauhöhe von einem Millimeter erreicht.

Schicht für Schicht entsteht so im 3D-Druckverfahren ein Metallteil.  

In diesem Fall: das Rad des Audi lunar quattro. Jenes Rad, das die Verbindung zwischen extraterrestrischem Gelände und menschlicher Technologie sein soll. Eines der vier Räder, das den Audi lunar quattro Rover der Berliner Wissenschaftler Part-Time Scientists sicher über das unwirtliche Gelände der Mondoberfläche antreibt. Bis es so weit ist, bleibt noch viel Zeit für Verbesserungen aller Art. Vieles davon passiert in Kooperation mit Audi. Zum Beispiel mithilfe von 3D-Druck.

32 Stunden und 20 Minuten dauert es, bis eines der vier Räder des Audi lunar quattro aus dem 3D-Drucker kommt.
Selektives Laserschmelzen nennt sich die Technologie des Audi Aluminium 3D-Drucks.  

Ein Verfahren, das Audi genau dann einsetzt, wenn es gilt, komplexeste Formen mit geringem Gewicht und hoher Steifigkeit zu erzielen. Harald Eibisch, Ingenieur in der Audi Technologieentwicklung Gießen und Additive Fertigung: „Der 3D-Druck mit Aluminium ermöglicht Leichtbau fast beliebiger Formen mit geschlossener Hülle. Das Rad des Audi lunar quattro besitzt nur eine Wandstärke von einem Millimeter, aber die Festigkeit ist dank ausgeklügelter Konstruktion hervorragend. Außerdem ist der Werkstoff gründlich in den Audi Labors erprobt. Wir verwenden die Al-Si10MgSr-Legierung seit Jahrzehnten im Aluguss unserer Audi Space Frame Karosserien.“


Die Leichtbaukompetenz aus der Fertigung
der Audi Serienmodelle kommt jetzt auch dem Mondrover zugute. Die Gewichtsersparnis, die Audi beim Audi lunar quattro Rover der Part-Time Scientists so erzielt, beträgt allein an den vier Rädern rund 1,6 Kilogramm. Karsten Becker, Entwicklungschef der Part-Time Scientists: „Ein Kilogramm an wissenschaftlichen Payloads, die wir im Rover mitführen, hat einen Gegenwert von 800.000 Euro. Durch den Gewichtsvorteil an den Rädern können wir wissenschaftliches Material für 1,28 Millionen Euro mehr an Bord nehmen.“

1.280.000 Euro ist das dank der Gewichtsreduktion des Audi lunar quattro zusätzlich freigewordene Ladevolumen wert. Das verminderte Gewicht ermöglicht das Mitführen zusätzlicher wissenschaftlicher Ausrüstung zum Mond.
Doch die Spezialisten von Audi haben nicht nur die Räder konstruktiv überarbeitet und im Aluminium 3D-Druck reduziert.  

Auch die Radaufhängungen, die Radgetriebegehäuse, die Schwingen der Räder sowie der Kamerakopf des Mondrovers sind von Audi Ingenieuren verbessert worden. Aber gerade beim Rad des Rovers gelang innerhalb kürzester Zeit ein rasanter Entwicklungssprung. In der ersten Stufe überarbeiteten Audi Designer das offene Speichenrad des ursprünglichen Asimov Rovers der Part-Time Scientists zu einem geschlossenen System, das möglichst unanfällig gegenüber Mondstaub ist. Und vergrößerten es außerdem um 22 Prozent. Denn die größere Auflagefläche bringt in feinsandigen Mondstaubdünen eine bessere Steigfähigkeit. Anschließend verbesserten Ingenieure aus dem Bereich der Audi Getriebeentwicklung die konstruktive Struktur des früher aus mehreren maschinengedrehten Aluminiumteilen gefertigten Rades sowie das Profil der Laufflächen für höheren Grip. Der entscheidende Schritt, um dennoch nicht an Gewicht zuzulegen, gelang durch die Technologie des 3D-Drucks. Audi Ingenieur Harald Eibisch: „Im 3D-Druck wandeln wir den Datensatz aus der Konstruktion in ein baubares Format um. Wir nehmen nur die Form der Außenhülle des Bauteils und geben einen Millimeter an Material hinzu. Das führt zu einer komplexen und stabilen Oberfläche an der Innenseite, die man selbst mit den besten CAD-Programmen in der Konstruktion nicht erzielen kann. Das gesamte Rad besitzt nur eine Wandstärke von einem Millimeter. So konnten wir das Gewicht pro Rad um 400 Gramm reduzieren.“

Der Audi lunar quattro: Der Audi Aluminium 3D Druck steuert die vier Räder, die Verbindungen zwischen Rad und Korpus und das Kopfgehäuse in dem die hochauflösenden Kameras verbaut werden, bei.
Bedeutet das, dass nach der Monderprobung bald auch Bauteile aus dem Audi Aluminium 3D-Drucker in die Automobilproduktion Einzug finden?  

Audi Ingenieur Eibisch winkt ab: „Ein einzelnes Rad des Audi lunar quattro kostet etwa 3.000 Euro und benötigt gut 1,5 Tage, bis es gedruckt ist. Stand heute sind nur Bauteile bis Faustgröße im Aluminium 3D-Druck wirtschaftlich. Die Konstruktionsteile in unseren Fahrzeugen sind aber meist größer.“ Doch das Ziel von Audi ist klar gesteckt: „Nicht in fünf, aber vielleicht in zehn bis zwanzig Jahren werden wir tragende Bauteile in großen Dimensionen mit dem 3D-Drucker fertigen. Die Technologie öffnet Konstrukteuren und Designern faszinierende neue Möglichkeiten im Automobilbau: Wir können dann komplizierte Strukturen einfach drucken, darin noch gewichtssparend funktionale Bauteile integrieren, Geometrien von Fahrzeugen schnell verändern und so individueller gestalten. Das bringt einen enormen Mehrwert an Funktion, Gewicht und Steifigkeit.“ Man könnte dazu auch ganz einfach sagen: Vorsprung durch Technik.

 

Mehr Infos:

Spielzeugfiguren, Turnschuhe, Möbelstücke – 3D-Druck auf Basis von Kunststoff hat unseren Alltag längst erreicht. Doch im All oder auf dem Mond halten Kunststoffe den äußeren Bedingungen oftmals nicht stand: Temperaturen von +130 bis –160 Grad Celsius würden sie spröde und weich werden, die enthaltenen Weichmacher ausgasen lassen. Fast ausschließlich Aluminium erzielt im 3D-Laserdruckverfahren die widerstandsfähige Konstruktion bei geringem Gewicht für die Bauteile einer Weltraummission.
 
Juri Kohn (Text), Jan van Endert (Fotos)

Empfehlungen der Redaktion