La stampa 3D per la produzione in serie di satelliti

Mentre il mondo lavora per trovare modi più rapidi e più economici di raggiungere lo spazio, è necessario testare tecnologie innovative e moderne, come la stampa 3D, piuttosto che attenersi ai metodi più convenzionali ma costosi. La maggior parte dei satelliti termoplastici stampati in 3D sono sviluppati nell’ambito di progetti accademici a basso budget, come il piccolo  Tomsk-TPU-120 , ed è molto importante ottenere una produzione seriale veloce, flessibile e automatizzata di satelliti affidabili a un costo inferiore.

Questo è il tema di un articolo, intitolato ” Caratterizzazione materiale di PA12 additivato e progettazione di strutture satellite multifunzionali “, che è stato scritto da un gruppo di ricercatori del Centro aerospaziale tedesco ( DLR ), l’ Istituto Fraunhofer per l’ingegneria di produzione e Automation (IPA) e l’  Institute of Space Systems (IRS) dell’Università di Stoccarda .

L’abstract dice: “L’aumento della pressione sui costi dei costruttori di satelliti e dei loro fornitori spinge la motivazione ad aprirsi a nuovi progetti e processi. Questo documento indaga l’applicabilità della produzione di additivi termoplastici per la produzione di massa di satelliti. In primo luogo, viene esaminato il potenziale del materiale in poliammide 12 per stampa 3D a costo ridotto per le strutture spaziali. I test includono proprietà meccaniche e termiche. Nella seconda fase, viene progettato un dimostratore di tecnologia multifunzionale e viene eseguito un primo test di qualificazione. Questo dimostratore integra componenti elettronici e di gestione termica e mostra notevoli risparmi di volume. Inoltre, i processi automatizzabili utilizzati per la produzione consentono ulteriori riduzioni dei costi nella produzione in serie. ”
I ricercatori hanno lavorato per dimostrare il potenziale del loro satellite multifunzionale ed economico stampato in 3D, innanzitutto testando come l’PA PA utilizzabile – un materiale termoplastico facilmente lavorabile – sia per applicazioni aerospaziali prodotte in serie come i satelliti e quindi progettando e testando un dimostratore multifunzionale , che è fondamentalmente un “sandwich con un nucleo a nido d’ape stampato in 3D”.

“Da un lato, questo rende lo spazio di progettazione finora inutilizzabile disponibile”, hanno detto i ricercatori sulla struttura del loro dimostratore. “D’altra parte, può essere prodotto da processi altamente automatizzabili e flessibili, ad esempio combinando la stampa FFF e il posizionamento automatico delle fibre (AFP). La struttura dimostrativa viene utilizzata per mostrare le possibili soluzioni per l’integrazione di funzioni nella struttura mediante la stampa 3D. Inoltre, dimostra il potenziale delle strutture multifunzionali per i satelliti futuri. Per dimostrare i concetti di integrazione applicata, viene progettato e testato un campione di agitatore aggiuntivo. ”
Per testare sia la stampa 3D FDM che SLS, il team ha utilizzato il polimero rinforzato con fibra di carbonio Nylon 12CF  e PA 2200 di Stratasys da EOS per la ricerca e ha eseguito test meccanici, di degasaggio e di vuoto termico su provini prodotti in tre diversi orientamenti per misurare il modulo del giovane e la resistenza alla trazione. Per quanto riguarda il test del ciclo termico sotto vuoto, le proprietà meccaniche dei campioni stampati in 3D sono leggermente migliorate, anche se l’allungamento a rottura è diminuito..
“Il PA puro processato SLS mostra proprietà meccaniche molto simili alle specifiche del produttore. Inoltre, non mostra un’anisotropia significativa rispetto all’orientamento della stampa. La PA rinforzata con fibra di carbonio, d’altra parte, mostra una forte anisotropia “, hanno spiegato i ricercatori. “Per quanto riguarda i campioni in piano e lateralmente, la resistenza alla trazione è drasticamente aumentata dal rinforzo. I campioni in piedi, d’altra parte, mostrano una forza ridotta. Un comportamento simile può essere osservato per quanto riguarda il modulo di Young. Il modulo di Young del materiale rinforzato, tuttavia, è sempre al di sopra del PA puro. Inoltre, si può notare che la deviazione standard di tutti i test è inferiore al 5%. ”

Il team ha concluso che i materiali PA mostrano un buon potenziale per applicazioni spaziali poco costose, anche se sarà necessario un programma di test elaborato per un vero processo di qualificazione.

Un dimostratore di tecnologia, che include condotti per cavi stampati in 3D che integrano cavi coassiali e fasci di cavi, è stato utilizzato per verificare sia la funzionalità e la fattibilità dell’integrazione di funzioni dei satelliti stampati 3D per componenti elettronici, di propulsione e di gestione termica, e i ricercatori hanno determinato che, almeno in questo progetto, un’integrazione di componenti di propulsione non era fattibile.

I ricercatori hanno prodotto e presentato un componente di prova, completo di un sensore giroscopico, connettore, cavo incorporato ad ultrasuoni e altre funzioni pianificate, per il test delle vibrazioni. Il componente è stato realizzato con un nucleo a nido d’ape in PETG, al fine di “garantire che i risultati sulla funzionalità del concetto siano disponibili prima dell’ottimizzazione del processo di stampa per l’anima a nido d’ape PEI”.

Dopo il test delle vibrazioni, il team non ha rilevato danni visibili o ha cambiato la frequenza naturale e ha potuto verificare la funzionalità totale del sistema elettronico.

“Il dimostratore di tecnologia sottolinea la capacità delle strutture sandwich multifunzionali per i satelliti. Il concetto rende accessibile lo spazio di design inutilizzabile e può generare notevoli risparmi di volume. Un primo test vibrazionale di successo conferma il design “, ha concluso il team. “Una riduzione di peso, d’altra parte, è improbabile poiché il nido d’ape stampato non è più leggero dei normali alveolari in alluminio. Tuttavia, la struttura multifunzionale offre ulteriori risparmi sui costi grazie a una produzione automatizzata adatta alla produzione di massa e ai costi di assemblaggio ridotti. ”
I ricercatori hanno stabilito che sono necessari diversi passaggi aggiuntivi, come un’analisi completa dei costi, per presentare una “valutazione olistica del concetto presentato”

Co-autori del giornale sono Simon Hümbert, Lukas Gleixner, Emanuel Arce, Patrick Springer, Michael Lengowski e Isil Sakraker Özmen.

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