I Finland arbetar en forskningsgrupp för att kunna konstruera lättare rymdfarkoster, som också är snabbare att tillverka. Deras forskning fokuserar på utvecklingen av 3D-printade delar av ultrapolymerer som lämpar sig för användning i rymden. Projektet, som lanserades i september 2019, går under namnet HighPEEK och kommer att pågå under två år. Ambitionen är att tillverka delar som kan tillämpas på alla möjliga applikationer inom rymdteknik, och arbetet finansieras av European Space Agency (ESA).
Vår finska partner Maker3D är en del av forskningsgruppen, och ansvarar för utskriften av dessa krävande delar. De bidrar även med sin expertis gällande 3D-teknik och design. Skrivaren som valdes ut för att producera de kraftfulla komponenterna är en miniFactory Ultra. Med ett brett sortiment av högpresterande material, speciellt framtagna för flyg- och rymdindustrin, och med möjligheten att kombinera olika material är miniFactory Ultra rätt maskin för jobbet.
Kostnaden för varje kilo som skjuts upp och placeras i omloppsbana kan bli uppemot 30 000 dollar, och därför kan betydande besparingar göras genom just viktminskning. Forskargruppen har som mål att åtminstone halvera delarnas vikt, och att påtagligt minimera ledtiden. Planen är att ersätta satellitdelar i metall med högpresterande polymerer av exceptionell kapacitet. Eftersom sådana 3D-utskrifter är ett väldigt kostnadseffektivt sätt att tillverka, är arbetet av stort intresse för rymdbranschen.
“Det är möjligt att uppnå önskade resultat genom att ersätta metalldelar med 3D-printade termoplaster. När dessa delar testas i TRL 5-miljö* är kraven extremt höga. Delarna måste klara starka vibrationer, elektriska laddningar och snabba temperaturförändringar. Ibland kan delarna också ha inre strukturer för elektriska kretslinjer ” – Joni Kumpulainen, projektmedlem Maker3D.
*TRL är en metod som indikerar en tekniks mognadsgrad. Nivå 5 innebär innebär att tekniken är testad i relevant miljö och att storskaliga prototyper är testade i den avsedda miljön.
Kraven som 3D-utskrifterna behövde uppfylla
Under resan till omloppsbanan måste delarna tåla oerhört mycket. I starten måste de motstå 6 respektive 4g längsgående- och sidoacceleration, och dessutom uthärda oavbrutna vibrationer samt sporadiska kraftiga smällar. Därför finns det ett behov av omfattande testning och kontroll av olika faktorer för styrka och styvhet. Förutom drag- och böjningslägen testas även delarnas försvagning med hjälp av skakbord.
När delarna väl inträder omloppsbanan ställs nya krav. Delarna står då inför högt vakuum och olika nivåer av elektromagnetisk strålning. Av den orsaken stresstestas de för olika undertyper av UV-spektrumet, så att de klarar av den kontinuerliga exponeringen som sker i rymden. En ytterligare faktor som delarna måste uppfylla är att de måste ha utmärkta utgasningsegenskaper, vilket är viktigt när delen utsätts för högt vakuum. De får fortsättningsvis inte innehålla några luftbubblor, eller riskera att kemiskt sönderdelas i vakuumet. För att kunna tillgodose alla dessa krav används de mest välutvecklade polymererna i en högst kontrollerad och övervakad process.
Tillverkningen av satellitdelar
Två sorters utbytbara kategorier valdes ut för projektet:
- Stödkonstruktioner och fästen
- Kapslingar
För realistisk referens jämfördes de 3D-utskrivna delarna med metallkomponenter som tidigare tillämpats i andra satellitprojekt.
Ett exempel på ersättande 3D-utskrifter ur kategorin stödkonstruktioner och fästen syns i bild 1 till höger. Fästet används till att fixera multifunktionella hexagon-formade paneler. Tidigare har dessa bultats på plats med vinklade aluminiumplattor. Även om 3D-utskriften ser mer komplex ut, är den 59 % lättare än originaldelen. Den har skrivits ut med en gyroidstruktur som således är delvis ihålig. Detta resulterar i en dramatisk viktminskning utan att behöva kompromissa med de mekaniska egenskaperna. Materialet som har använts i dessa utskrifter är kolfiberförstärkt PEEK.
Ur gruppen kapslingar ser vi ett exempel på ett hölje till strömreläer (bild 2), printat med materialet ESD-PEKK. Dessa är skapade för satelliten Sentinel 1 som används för fjärranalys. Höljet tillverkades tidigare, likt föregående exempel, i tyngre aluminium. Genom att kunna utnyttja nya möjligheter med 3D-utskrift har strukturen på delen kunnat anpassas med lättare fyllning.
Därtill visar bild 3 ett exempel på det experimentella höljet för sensorn IRES-C (InfraRed Earth Sensor, Coarse), vars ursprungliga hölje framställdes i metall. Sensorns uppgift är förenklat att observera Jorden utifrån ett specifikt våglängdsband och beräkna justeringar för satelliter i omloppsbana. Den nya versionen skrevs ut med kolfiberförstärkt PEEK, och återigen kan designen optimeras genom 3D-teknik.
Tack vare det här användandet av ultrapolymerer kan projektet HighPEEK uppnå sin grundläggande målsättning: att minska vikten på rymdfarkoster. Ultrapolymerer är i ständig utveckling för att kunna användas i de mest avancerade applikationerna.
Bild 1. Fästen till paneler.
Bild 2. Hölje till strömrelä.
Bild 3. Hölje till sensorn IRES-C.
Kontakta oss
Vill du ha mer information om miniFactory Ultra eller begära offert? Fyll i formuläret nedan så återkommer vi inom kort.