Bis in die Unendlichkeit und noch viel weiter Raumfahrtinnovation durch KI und digitale Fertigung

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Die Artemis-Mission will Menschen wieder zum Mond bringen und den Mars erforschen. Um diese Ziele zu erreichen, setzt die NASA mit Unterstützung von Protolabs auf KI-gestützte Designs und digitale Fertigung. Die Partnerschaft ermöglicht die Entwicklung komplexer Bauteile in Rekordzeit und setzt neue Massstäbe für Präzision und Effizienz in der Raumfahrttechnik.

Die Raumfahrttechnik, die sich von der Fabrikhalle bis in die Weiten des Universums erstreckt, stellt einen der faszinierendsten und anspruchsvollsten Bereiche der modernen Fertigung dar. In einer Welt, in der Präzision und Innovation Hand in Hand gehen müssen, wird die Produktion von Raumfahrzeugen und -instrumenten zu einer Meisterleistung der Ingenieurskunst. Vom Entwurf eines Satelliten bis zur Herstellung von Raketentriebwerken – jeder Schritt in der Fertigungskette erfordert höchste Präzision, um den extremen Bedingungen des Weltraums standzuhalten.

Dieser Herausforderung nimmt sich die Artemis-Mission der NASA an – denn diese will wieder Menschen auf den Mond bringen und die Möglichkeiten einer dauerhaften Besiedlung auf dem Mond und eines Tages auch auf dem Mars erforschen. Nach Neil Armstrong im Jahr 1969, als erster Mensch auf dem Mond, gelangten binnen weiterer drei Jahre noch elf Menschen auf den Erdtrabanten. Seitdem hinterliess aber keiner mehr Abdrücke auf dem Mond. Die Gründe hierfür? Zum einen gibt es keine geeigneten Raketen, es fehlen finanzielle Mittel und das Weltall ist nicht für seine Gastfreundschaft bekannt.

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Für ihre Forschung müssen die NASA-Ingenieure jedes Teil eines Raumfahrzeuges genau unter die Lupe nehmen, Platz und Gewicht minimieren und Material auswählen, welches den Extremtemperaturen auf dem Mond und im Weltall standhält. Für dieses grosse Projekt wählte die NASA Protolabs – einen Pionier der digitalen Fertigung – als Partner und konnte so in einem aktuellen Projekt unter Beweis stellen, wie KI, Rapid Prototyping und Erfindergeist uns in Zukunft wieder zu den Gestirnen begleiten werden.

Die Herausforderung: Vom Gedankenblitz zur Realität in 36 Stunden

Im Rahmen des Power Source Global Summits 2024 – einer jährlich stattfindenden Konferenz, die führende Technologieunternehmen aus aller Welt zusammenbringt – sollte ein KI-gestütztes Design-Tool entwickelt werden. Das Ziel war ambitioniert: Mit Unterstützung der Konferenzteilnehmer wollte die NASA ein Gerät entwickeln, welches Gasproben sammeln kann, die durch Sonnenlicht auf dem Mond freigesetzt werden, also wenn der Mond durch die Sonne erwärmt wird.

Um die Forschung in diesem Bereich voranzutreiben, wurden die Teilnehmer des Summits – darunter auch führende Ingenieure der NASA – eingeladen, Ideen für ein generatives Design eines solchen Probensammelgeräts zu entwickeln. Dabei sollte das Design eine Reihe an Anforderungen erfüllen: Es sollte modular, stapelbar und skalierbar sein und eine Masse von 34 Kilogramm tragen können. Dabei sollte die Möglichkeit, das Bauteil zu stapeln, den Vorteil bieten, dass mehrere Exemplare des Teils weniger Platz auf dem Raumfahrzeug beanspruchen.

Darüber hinaus sollte der finale Prototyp sowohl für die Verwendung durch Menschen als auch für die maschinelle Bearbeitung geeignet sein und strengen Grössen- und Qualitätsanforderungen genügen sowie Temperaturen zwischen –193 °C und –48 °C standhalten und auf der unebenen Oberfläche des Mondes aufrecht stehen können. «Mit dieser Aufgabe standen die Teilnehmenden vor der grossen Herausforderung, ein komplexes Design zu entwickeln, das nicht nur den besonderen Gegebenheiten der Weltallumgebung entsprach, sondern in kürzester Zeit angefertigt werden sollte», betont Matthew Vaerewyck, Maschinenbauingenieur bei NASA Goddard.

Denn die tatsächliche Herausforderung bestand darin, diesen innovativen Entwurf in weniger als 36 Stunden in einen funktionalen Prototyp umzuwandeln. Um diese Aufgabe zu lösen, waren einerseits kreative Lösungsansätze, andererseits auch technologische Präzision gefordert – konventionelle Fertigungsmethoden stossen in diesem Zusammenhang schnell an ihre Grenzen.

Die Lösung: generatives Design und CAD-Entwicklung. Im Rahmen der Konferenz erstellten die Teilnehmenden eine Liste mit Geometrien und Eigenschaften, die das finale Bauteil erfüllen musste, um den extremen Bedingungen auf der Mondoberfläche standzuhalten. Diese Spezifikationen dienten schliesslich als Grundlage für das generative Design-Tool der NASA, welches eine CAD-Datei generierte, die Protolabs als Ausgangspunkt nutzte, um den digitalen Entwurf in ein physisches Objekt zu verwandeln.

Der digitale Fertigungsprozess: Wenn Präzision auf Geschwindigkeit trifft

Um die Idee schliesslich in einen tatsächlichen Prototyp umzuwandeln, entschied sich die NASA für eine Zusammenarbeit mit Protolabs. Für jede Idee wird von den Experten bei Protolabs die bestmögliche Umsetzungsmethode ermittelt. Zudem verfügt der Fertigungsdienstleister über jahrzehntelange Erfahrung in der Umsetzung zeitkritischer Projekte und konnte bereits in der Vergangenheit als externes Forschungs- und Entwicklungslabor so manchen Kunden bei der fristgerechten und zielgerichteten Herstellung von Prototypen unterstützen.

Die CAD-Datei des KI-generierten Designs wurde direkt in das digitale Angebotssystem von Protolabs hochgeladen, was einen reibungslosen Übergang vom digitalen Entwurf zur physischen Produktion ermöglichte. 19 Stunden brauchte es für das Fräsen, 4 Stunden für die Bearbeitung. «Wichtig zu erwähnen ist, dass auch das menschliche Zutun für den Erfolg der Fertigung mitverantwortlich war. Denn unsere Experten haben dafür gesorgt, dass beim Fräsen keine Fehler auftraten», betont Greg Perz, Protolabs Manufacturing Engineer Manager für CNC-Bearbeitung. Der fertige Prototyp aus 6061er Aluminium wurde dann nach Florida verschickt und traf pünktlich zum letzten Tag der Konferenz ein – also bereits in weniger als 36 Stunden nach Aufgeben der Bestellung.

Das Ergebnis: Ein Prototyp in Rekordzeit

Durch den Einsatz generativer KI wurde es möglich, ein Bauteil mit einer Präzision jenseits menschlicher Fähigkeiten zu erstellen. Der gesamte Arbeitsablauf zeichnete sich hierbei durch schnelle rationale Designentscheidungen, eine überraschende Dynamik sowie ein hohes Mass an Effizienz aus. Die erfolgreiche Kooperation zwischen NASA und Protolabs markiert einen Wendepunkt in der Luft- und Raumfahrtindustrie, sowohl in den USA als auch in Europa. Die Bedeutung dieses Sektors wächst kontinuierlich, und Geschwindigkeit sowie Akkuratesse bei der Herstellung von Bauteilen sind entscheidende Faktoren. Die Partnerschaft zeigt, dass durch die Integration von KI und digitaler Fertigungstechnologie neue Möglichkeiten zur Optimierung von Produktionsprozessen entstehen.

Auch Daniel Cohn, Senior Director Global 3DP Operations & Managing Director Protolabs Germany, betont die Relevanz dieser Entwicklung für die europäische Luft- und Raumfahrtbranche: «Geschwindigkeit, Qualität und die Möglichkeit, auf externes Expertenwissen hinsichtlich des Teiledesigns zurückzugreifen, sind für die Luft- und Raumfahrt essenziell. Das Beispiel aus den USA zeigt klar, dass wir in diesem Bereich durch KI und die Fertigungserfahrung von Protolabs eine neue Ära erreicht haben.»

Während das Projekt mit der NASA sich auf die CNC-Fertigung konzentrierte, wird auch die Herstellung von Prototypen und Bauteilen mittels anderer Verfahren, wie der additiven Fertigung an Bedeutung gewinnen. Technologien wie der 3D-Druck, kombiniert mit dem Fachwissen von Protolabs, ermöglichen es, nahezu alle von der KI entworfenen Designs schnell und effizient zu realisieren. Diese Technologie erlaubt es Ingenieuren, komplexe Geometrien zu erstellen, die mit herkömmlichen Methoden schwer oder gar nicht zu fertigen wären. Durch die Flexibilität und Geschwindigkeit der additiven Fertigung können Unternehmen die Time-to-Market erheblich verkürzen und ihre Innovationsfähigkeit steigern.

Fazit: Innovation durch Zusammenarbeit

Durch die Kombination von generativem Design und schneller Prototypenfertigung hat Protolabs gezeigt, dass Innovation und Effizienz in der Luft- und Raumfahrtindustrie Hand in Hand gehen können. Die Kooperation zwischen NASA und Protolabs zeigt aber auch eindrucksvoll, dass durch die richtige Kombination aus Technologie und Expertise selbst ehrgeizigste Ziele in Rekordzeit erreicht werden können, wodurch die Tür zu neuen Möglichkeiten in der Luft- und Raumfahrtindustrie geöffnet wird. Dies hat weitreichende Auswirkungen nicht nur für die NASA, sondern auch für andere Organisationen und Unternehmen, die in der Lage sind, von der beschleunigten Innovationskraft durch digitale Fertigung zu profitieren. Und wer weiss, vielleicht ermöglichen die Forschungsergebnisse der Artemis-Mission schon bald wieder den nächsten Flug auf den Mond.

(neu)

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