Woensdag 24 maart 2021

Het project van een Finse onderzoeksgroep streeft naar ruimtevaartuigen die lichter en sneller te vervaardigen zijn. Het onderzoek richt zich op de ontwikkeling van 3D-geprinte polymeercomponenten, die geschikt zijn voor gebruik in de ruimte.

Hun partner Maker3D maakt deel uit van groep met een rol bij het 3D-printen van de veeleisende onderdelen met ultrapolymeren. Ze hebben expertise over 3D-printtechnologieën en het ontwerpen van onderdelen.

miniFactory Ultra 3D-printer is gekozen als het gereedschap voor de klus. Het bedrijf heeft een brede portfolio van hoogwaardige materialen ontworpen voor de lucht- en ruimtevaartindustrie. Het maakt het ook mogelijk om meerdere materialen in hetzelfde onderdeel te combineren.

Het project heet HighPEEK en is in september 2019 gelanceerd. Het blijft twee jaar actief. Dit project zal uiteindelijk onderdelen produceren die toepasbaar zijn op ruimtetechnologie. Het project wordt gefinancierd door de European Space Agency - ESA.

De kosten voor elke kilogram die in een baan om de aarde wordt gelanceerd kan tot $30.000 bedragen. Zelfs met een klein gewichtsverlies kunnen aanzienlijke budgetbesparingen worden bereikt. Het onderzoek van het project is erop gericht om minimaal 50% van het gewicht van de onderdelen te verminderen en de doorlooptijd te minimaliseren.

Het idee is om metalen onderdelen te vervangen. De materialen die in het project worden gebruikt, moeten over het algemeen de meest extreem hoogwaardige polymeren zijn. 3D-printen van dergelijke materialen is een uiterst kosteneffectieve manier van produceren, wat in het belang is van de markt voor ruimtelancering.

“Het is mogelijk om de vereiste specificaties te halen door metalen onderdelen te vervangen door 3D-geprinte thermoplasten. Wanneer deze onderdelen worden getest in een TRL5-omgeving, zijn de eisen extreem hoog. De onderdelen moeten bestand zijn tegen sterke trillingen, elektrische ladingen en snelle temperatuurwisselingen. Soms hebben de onderdelen ook een interne structuur voor de lijnen van elektrische circuits.” Joni Kumpulainen, Projectlid – Maker3D

SATELLIETONDERDELEN IN DE MAAK

De onderdelen die in satellieten worden gebruikt, worden geconfronteerd met een GEO-ruimteomgeving in combinatie met trillingen en lanceringsbelastingen. Andere belangrijke vereisten voor de onderdelen zijn ontgassing en UV-bestendigheid.

Voor het project zijn twee voorbeeldgroepen van onderdelen gekozen:

• Behuizingen
• Ondersteuningsstructuren en beugels

Om een realistisch beeld te krijgen, zijn metalen onderdelen die zijn gebruikt in satellietprojecten (zoals ARTES) als baseline gekozen om de 3D-geprinte ultra- polymeer versies.

Een voorbeeld van een 3D-geprint onderdeel uit de groep ondersteunende structuren en beugels is gemarkeerd in de bovenstaande afbeelding. De beugel wordt gebruikt om universele honingraatpanelen te bevestigen. Deze zijn traditioneel bevestigd met behulp van een eenvoudige aluminium hoekplaat die aan het frame is vastgeschroefd. Hoewel de 3D-geprinte versie er een stuk complexer uitziet, is hij 59% lichter dan de traditionele aluminiumversie. Het nieuwste 3D-geprinte onderdeel dat in de afbeelding is gemarkeerd, is afgedrukt als een semi-holle structuur met behulp van gyroid-vulling. Dit maakt de dramatische gewichtsvermindering mogelijk zonder compromissen in de mechanische eigenschappen. Het materiaal dat in de 3D-geprinte versie wordt gebruikt, is met koolstofvezel versterkt PEEK.

Het tweede voorbeelddeel komt uit de groep behuizingen. Met 3D-geprinte assemblage van ESD-PEKK-materiaal, werd de behuizing van het vermogensrelais voor de Sentinel 1-satelliet voor het in kaart brengen van de aarde gemaakt. De originele behuizing is gemaakt van aluminium. Door gebruik te maken van de mogelijkheden van 3D-printen, is de structuur gewijzigd met lichtere mazen. Samen met ultrapolymeren kunnen alle doelstellingen van het project worden bereikt.

De experimentele IRES-C-sensorbehuizing die in de bovenstaande afbeelding wordt getoond, is oorspronkelijk gemaakt van metaal. De naam IRES-C staat voor InfraRed Earth Sensor, Coarse. Het heeft als taak een onderdeel te zijn van de houdingsaanpassing van de satellieten in de baan. De opnieuw ontworpen behuizing voor de sensor is 3D-geprint met koolstofversterkt PEEK, en opnieuw maakt het ontwerp een lichtere structuur mogelijk zonder afbreuk te doen aan de functionaliteit. 

EISEN AAN DE ONDERDELEN

In het begin van de reis naar de baan hebben de onderdelen veel te verduren. 6G longitudinale en 4G laterale versnelling om precies te zijn. En dat is niet alles. Er zijn veel continue trillingen en sporadische schokbelastingen. Daarom moet het testen van de onderdelen uitgebreid zijn en verschillende aspecten van sterkte- en stijfheidstests voor het onderdeel omvatten. Naast de trek- en buigmodi wordt de vermoeiing van de onderdelen getest met schudtafels.

Wanneer de onderdelen de baan binnenkomen, veranderen de eisen en ontstaan er verschillende uitdagingen. De onderdelen worden nu geconfronteerd met een hoog vacuüm en verschillende spectrums van elektromagnetische straling. Alle onderdelen moeten worden getest op stress voor verschillende subtypes van UV (A, B en C) om de continue blootstelling in de ruimte te kunnen weerstaan.

Bovendien moeten de onderdelen extreem goede ontgassingseigenschappen hebben. Het is een fenomeen dat verband houdt met de stabiliteit van het onderdeel in hoog vacuüm. De onderdelen mogen geen gasbellen in de polymeerstructuur bevatten of chemisch ontleden in het vacuüm.

Om aan al deze eisen te kunnen voldoen, moeten de onderdelen worden gemaakt voor de meest extreme polymeren op de markt met het gecontroleerde en gecontroleerde proces.