Projekt fińskiej grupy badawczej ma na celu stworzenie lżejszych i szybszych w produkcji pojazdów kosmicznych. Badania koncentrują się na rozwoju drukowanych w 3D komponentów polimerowych nadających się do wykorzystania w przestrzeni kosmicznej.
Zamienniki części metalowych dla satelitów telekomunikacyjnych
Jeden z partnerów firmy miniFactory Oy – Maker3D, jest częścią wspomnianej grupy badawczej, której zadaniem jest drukowanie wymagających części z ultra-polimerów oraz zapewnienie doradztwa w zakresie technologii druku 3D i projektowania części. Drukarka 3D miniFactory Ultra została wybrana jako narzędzie do wykonania tego zadania, ponieważ umożliwia drukowanie z szerokiego portfolio ultra-polimerów i materiałów przeznaczonych dla przemysłu lotniczego i kosmicznego. Umożliwia również łączenie wielu materiałów w jednym elemencie.
Projekt nosi nazwę HighPEEK (https://artes.esa.int/projects/highpeek) i został rozpoczęty we wrześniu 2019 roku. Będzie aktywny przez dwa lata i w jego ramach będą produkowane części możliwe do zastosowania w technologiach kosmicznych. Projekt jest finansowany przez Europejską Agencję Kosmiczną – ESA.
Ponieważ koszt wyniesienia każdego kilograma na orbitę może wynosić nawet 30 000 dolarów, nawet niewielkie obniżenie wagi elementu może przynieść znaczne oszczędności budżetowe. Badania prowadzone w ramach projektu mają na celu zmniejszenie masy części o co najmniej 50% oraz skrócenie czasu ich produkcji.Ogólną ideą jest zastąpienie części metalowych wydrukowanymi w 3D, więc materiały użyte w projekcie muszą być najbardziej ekstremalnymi polimerami o bardzo dobrych parametrach. Druk 3D z takich materiałów jest niezwykle opłacalnym sposobem ich wytwarzania, co jest bardzo istotne dla rynku startów kosmicznych.
„Możliwe jest osiągnięcie wymaganych parametrów poprzez zastąpienie części metalowych drukowanymi w 3D tworzywami termoplastycznymi. Wydrukowane elementy są potem testowane w ekstremalnie wymagającym środowisku TRL5. Muszą wytrzymać silne wibracje, ładunki elektryczne czy gwałtowne zmiany temperatury w szerokim zakresie. Czasami elementy te mogą również posiadać wewnętrzne struktury dla obwodów elektrycznych.„
Joni Kumpulainen, członek projektu z ramienia Maker3D.
Wytwarzanie części satelity
Elementy stosowane w satelitach będą narażone na warunki panujące na orbicie geostacjonarnej oraz wibracje i obciążenia występujące podczas startu. Inne ważne wymagania to niski stopień odgazowywania w próżni oraz odporność na promieniowanie UV.
Do projektu zostały wybrane dwie grupy części:
- Obudowy
- Konstrukcje podporowe i mocujące
Aby uzyskać jak najbardziej realistyczny pogląd, jako punkt odniesienia wybrano metalowe elementy, które były używane w innych projektach satelitarnych (takich jak ARTES) aby porównać je z wersjami wydrukowanymi w 3D z ultra-polimerów.
Jeden z przykładów takiej części z grupy konstrukcji podporowych został przedstawiony na powyższym zdjęciu. Jest to prosty wspornik służący do mocowania paneli ogólnego zastosowania o strukturze plastra miodu. Tradycyjnie są one mocowane za pomocą prostego aluminiowego kątownika przykręcanego do ramy. Okazało się, że nawet jeśli wersja wydrukowana w 3D wygląda na bardziej skomplikowaną, to jest ona o 59% lżejsza od tradycyjnej wersji aluminiowej. Widoczna na drugim zdjęciu część wydrukowana w 3D to półpusta struktura z wypełnieniem typu gyroid. Umożliwia to znaczne obniżenie wagi bez pogorszenia właściwości mechanicznych. Materiał użyty w tym wydruku to PEEK wzmocniony włóknem węglowym.
Drugi przykładowy element pochodzi z grupy obudów. Za pomocą druku 3D z wykorzystaniem materiału ESD-PEKK, została wykonana obudowa przekaźnika zasilania dla satelity mapowania Ziemi Sentinel 1. Oryginalna obudowa była wykonana z aluminium. Wykorzystując możliwości druku 3D, zmieniono także jej strukturę, stosując drobniejsze siatki. Dzięki wykorzystaniu ultra-polimerów także udało się osiągnąć wszystkie założone cele projektu.
Pokazana na powyższym zdjęciu eksperymentalna obudowa czujnika IRES-C została oryginalnie wykonana z metalu. Nazwa IRES-C to skrót od InfraRed Earth Sensor, Coarse, i jest on elementem systemu korekcji położenia satelitów na orbicie. Przeprojektowana obudowa czujnika została wydrukowana z PEEK wzmocnionego włóknem węglowym co po raz kolejny pozwoliło na uzyskanie lżejszej konstrukcji bez uszczerbku dla funkcjonalności.
Wymagania ogóle do lotu w kosmos
Na początku podróży na orbitę, elementy muszą wytrzymać bardzo dużo. A dokładnie 6 g przyspieszenia wzdłużnego i 4 g przyspieszenia poprzecznego. A to jeszcze nie wszystko – jest jeszcze wiele długotrwałych wibracji i sporadycznych obciążeń udarowych. Dlatego badania części muszą być kompleksowe i obejmować różnego rodzaju próby wytrzymałościowe i sztywnościowe dla danego elementu. Oprócz prób rozciągania i zginania, badana jest również wytrzymałość na zmęczenie przy użyciu stołów wstrząsowych.
Kiedy elementy trafią już na orbitę, wymagania w stosunku do nich się zmieniają – pojawiają się inne problemy. Elementy są teraz wystawione na działanie wysokiej próżni i szerokiego spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Wszystkie części muszą więc być poddane testom wytrzymałościowym na różne podtypy promieniowania UV (A, B i C), aby sprawdzić czy wytrzymają ciągłą ekspozycję w przestrzeni kosmicznej.
Ponadto wydruki muszą mieć wyjątkowo korzystne parametry odgazowywania. Jest to zjawisko związane ze stabilnością materiału z jakiego wykonano dany element, w wysokiej próżni. Elementy nie powinny zawierać pęcherzyków gazu w strukturze polimeru ani ulegać rozkładowi chemicznemu w próżni.
Aby móc spełnić te wszystkie wymagania, części muszą być wykonane z najbardziej ekstremalnych polimerów dostępnych na rynku, w kontrolowanym i monitorowanym procesie – takim jak AARNI dostępnym w drukarce 3D miniFactory Ultra.
Musisz być Zalogowany aby napisać komentarz.