3D-Druck in der Raumfahrt: jedes Kilo weniger spart 30.000 US-Dollar
Wie der Einsatz von Hochleistungskunststoffen wie PEEK und PEKK Bauteile aus Metal ersetzt und damit bis zu 50% Gewicht einspart zeigt das Projekt HighPeek der European Space Agency – ESA
Ziel des Projekts ist es, metallische Sekundärstrukturteile für Telekommunikations-Satelliten durch leitfähige thermoplastische Teile zu ersetzen.
Angestrebt ist eine Masse-Einsparung von mindestens 50% und eine Reduzierung der Vorlaufzeit.
Die Teile müssen der GEO-Weltraumumgebung standhalten, wobei Startlasten und Vibrationen, Ausgasung und UV-Beständigkeit wichtige Anforderungen sind.
Für das Projekt wurden zwei Beispielgruppen von Teilen ausgewählt:
• Gehäuse
• Trägerelemente und Halterungen
Um eine realistische Aussage zu erhalten, wurden Metallteile, die in Satellitenprojekten (wie ARTES) verwendet wurden, als Basis ausgewählt, um die 3D-gedruckten Ultra-Polymer-Versionen zu vergleichen.
Beispiel für ein 3D-gedrucktes Teil aus der Gruppe der Trägerelemente und Halterungen.
Die Halterung dient zur Befestigung von Allzweckwabenplatten. Diese wurden traditionell mit einer einfachen Aluminiumwinkelplatte befestigt, die mit dem Rahmen verschraubt wurde. Obwohl die 3D-gedruckte Version viel komplexer aussieht, ist sie 59% leichter als die herkömmliche Aluminiumversion. Das 3D-gedruckte Bauteil wurde als Halbhohlstruktur mit Gyroid-Füllung gedruckt.
Dies ermöglicht die dramatische Gewichtsreduzierung ohne Kompromisse bei den mechanischen Eigenschaften. Das verwendete Material ist ein kohlefaserverstärktes PEEK.
Beispiel für ein Gehäuse. Mit einer 3D-gedruckten Baugruppe aus ESD-PEKK Material wurde das Leistungsrelaisgehäuse für den Erdkartensatelliten Sentinel 1 hergestellt.
Das ursprüngliche Gehäuse wurde aus Aluminium gefertigt.
Da die Bauteile auch leitende Eigenschaften haben sollen, wurde ein eigenes leitfähiges PEEK-Material mit optimalen Eigenschaften für die jeweilige Aufgabe entwickelt.
Das im obigen Bild gezeigte experimentelle IRES-C-Sensorgehäuse wurde ursprünglich aus Metall hergestellt. Der Name IRES-C steht für InfraRed Earth Sensor, Coarse und hat die Aufgabe, die Lage des Satelliten in der Umlaufbahn zu kontrollieren. Das neu gestaltete Gehäuse für den Sensor wurde mit kohlenstoffverstärktem PEEK 3D-gedruckt, und das Design ermöglicht erneut eine leichtere Struktur, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen.
Welchen Anforderungen müssen die Bauteile standhalten?
Zu Beginn der Reise in die Umlaufbahn müssen die Teile viel aushalten:
6 g Längsbeschleunigung
4 g Querbeschleunigung
Und das ist noch nicht alles
Viele kontinuierliche Vibrationen und sporadische Stoßbelastungen durchleben die Bauteile auf ihrem Weg ins All.
Daher müssen die Teile umfassend auf ihre Festigkeit- und Steifheit getestet werden.
Neben Zug- und Biegemodi wird die Ermüdung der Teile mit Schütteltischen geprüft.
Wenn die Teile in die Umlaufbahn gelangen, ändern sich die Anforderungen schlagartig. Es entstehen unterschiedliche Herausforderungen. Sie sind nun einem Hochvakuum und verschiedenen Spektren elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt.
Daher müssen alle Teile einer Stresstestung auf verschiedene UV-Subtypen (A, B und C) unterzogen werden, um der kontinuierlichen Exposition im Raum standhalten zu können.
Darüber hinaus müssen die Teile extrem gute Ausgasungseigenschaften aufweisen. Es ist ein Phänomen, das mit der Stabilität des Teils im Hochvakuum zusammenhängt. Die Teile sollten keine Gasblasen in der Polymerstruktur enthalten oder sich im Vakuum chemisch zersetzen.
Um all diese Anforderungen erfüllen zu können, müssen die Bauteile aus dem extremsten Polymere auf dem Markt mit einem kontrollierten und überwachten Verfahren hergestellt werden.
Das finnische Projekt-Team rund um die ESA nutzt aus diesem Grund den miniFactory ULTRA 3D-Drucker
Hochleistungspolymere im Extrembereich 3D-drucken
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Mehr zum Projekt HighPeek hier: https://artes.esa.int/projects/highpeek