3D-gedruckte CFK-Strukturen im Weltraum bewährt

3D-Druck mit selektivem Lasersintern von kohlefaserverstärkten Verbundmaterial hat die schwierige Bewährungsprobe im Weltraum erfolgreich bestanden.

Ein vollständig mit professionellem 3D-Druck aus CFK-Verbundmaterial hergestellter „Deployer“ hat einige der weltweit modernsten Kleinsatelliten erfolgreich in den Weltraum entlassen. Das innovative System für die Freisetzung der Pocket-Qube Satelliten, den Alba-Pod 2.0, hat CRP Technology im Auftrag von Alba Orbital konstruiert und mit Windform XT 2.0 mit 3D-Druck hergestellt.

Pocket-Qubes sind Miniatursatelliten, die in der Weltraumforschung eingesetzt werden. Die winzigen Satelliten sind in der Größe genormt und jeweils 50 mm breit und hoch. Die Länge kann 50, 114 oder 178 mm betragen. Die je nach Größe maximal 250, 500 oder 750 g schweren Satelliten gelten als Alternative zu den immer teurer werdenden Freisetzungen der bis zu achtmal größeren Cube-Sat-Satelliten.

Alba Orbital, ein schnell wachsendes High-Tech-KMU mit Sitz im schottischen Glasgow, hat sich auf kostengünstige Raumfahrt mit Pocket-Qubes spezialisiert und stellt ein Supportzentrum für Pocket-Qubes zur Verfügung, deren Bedeutung für die erdnahe Umlaufbahn unaufhaltsam zunimmt. Das Supportzentrum dient nicht nur dem Bau eigener Plattformen, sondern der Bereitstellung von Komponenten und Unterstützung von Unternehmen, Universitäten und Raumfahrtbehörden aus der ganzen Welt bei der Freisetzung von Pocket-Qubes in die Umlaufbahn.

Vor kurzem beschloss Alba Orbital, eine aktualisierte Version (2.0 oder v2) seines Alba-Pod genannten Pocket-Qube-Freisetzungsgeräts herzustellen. Ziel waren Verbesserungen bei Gewicht, Produktionsmöglichkeiten, Sicherheitsmerkmalen und Zugänglichkeit.

Für die Konstruktion des Freisetzungssystems wandte sich das Team aus Glasgow an CRP Technology: Das in Modena ansässige Unternehmen, das sich seit Jahrzehnten mit professionellem 3D-Druck beschäftigt, kann eine beträchtliche Erfahrung bei der Bereitstellung von hochmodernen Lösungen für die wichtigsten Akteure im Raumfahrtsektor unter Verwendung der patentierten Verbundwerkstoffe Windform Top-Line vorweisen.

Wie CRP erklärt, sind die meisten Windform-Materialien für Anwendungen in der Raumfahrt geeignet, da sie die Ausgasungstests von Nasa und Esa bestanden haben.

Die Reduzierung des Gewichts stellt für sämtliche Raumfahrkomponenten ein grundlegendes Planungsziel. Darüber hinaus muss das für die Herstellung gewählte Material aufgrund der strengen Ausgasungsanforderungen für den Flug zugelassen sein.

Aus der Sicht von Alba Orbital war daher von Anfang an klar, dass die Verwendung eines bereits von den wichtigsten Stellen genehmigten Materials die Annahme des Freisetzungsprogramms durch alle beteiligten Parteien erleichtern würde.

Die Aufgabe war schwierig, aber dank der langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet der Additiven Fertigung nahm CRP Technology die Herausforderung an. Die Tätigkeit der 3D-Druckabteilung von CRP Technology konzentrierte sich von Anfang an auf die Optimierung und das Erreichen der geforderten Ziele, wobei eng mit dem Team von Alba Orbital zusammengearbeitet wurde.

Dank seines in über 25 Jahren im Dienst der anspruchsvollsten Industriesektoren erworbenen Know-Hows konnte CRP Technology Alba Orbital bei der Wahl der besten 3D-Drucktechnologie und des besten Materials für die Herstellung des Freisetzungssystems AlbaPod 2.0 unterstützen, um den Erfolg des Projekts zu garantieren.

Das Team von Alba Orbital entschied sich für das selektive Lasersintern und den Werkstoff Windform XT 2.0 aus der Produktreihe Windform Top-Line. Die Begründung der Ingenieure von Alba Orbital: „Alba-Pod V2 muss eine Freisetzung in den Weltraum überstehen und in seinem Inneren zahlreiche Satelliten beherbergen. Die Beständigkeit gegen hohe Schwingungen war schon immer eine wesentliche Anforderung, so wie die Sicherheit des Pocke-tQube vor der Freisetzung. Die Steifigkeit und Robustheit machten Windform XT 2.0 zu einem perfekten Kandidaten für diesen Einsatz.“

Wie CRP Technology ergänzt, ist Windform XT 2.0 ein Material der neuen Generation, das das vorangegangene Produkt Windform XT ersetzt. Windform XT 2.0 zeichnet sich durch deutliche Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften aus, darunter 8 % mehr Bruchlast, 22 % besseres Elastizitätsmodul und 46 % höhere Bruchdehnung.

Das selektive Lasersinterverfahren in Kombination mit dem kohlefaserverstärkten Verbundmaterial Windform XT 2.0 konnte die hohen Erwartungen erfüllen: Der Alba-Pod 2.0-Freisetzungsmechanismus bestand erfolgreich die Kontrollverfahren und erfüllte die Anforderungen und Standards von Alba Orbital vollständig.

Das Team von Alba Orbital fügt hinzu: „Wir sind mit dem Ergebnis sehr zufrieden: Windform XT 2.0 hat es uns ermöglicht, Teile zu entwerfen, die mit herkömmlichen Technologien schwer herzustellen sind, da sie dünne Querschnitte und extrem komplexe Geometrien aufweisen.“

Das Team von Alba Orbital zu wesentlichen technischen Details in Bezug auf die Vorteile, die sich aus der Additiven Fertigung und dem Material Windform XT 2.0 ergeben: „Der innovativste Aspekt des Projekts betrifft die Anzahl der aus Windform XT 2.0 hergestellten Komponenten: nicht nur die Abdeckung, sondern auch der bewegliche Auswurfmechanismus sowie der Mechanismus für die Montage der Tür. Letztere sind strukturelle Komponenten und von entscheidender Bedeutung für das gesamte Freisetzungssystem.“

Im Hinblick auf die mechanischen Leistungen bestätigen die Ingenieure von Alba Orbital: „Dies ist ein grundlegender Aspekt. Der Zusammenbau des Pocket-Qube muss nicht nur korrekt durchgeführt werden, um die Verlagerung der Satelliten im Inneren der Struktur zu erleichtern, sondern die Struktur muss auch in der Lage sein, die Satelliten selbst in den kritischsten Fällen zu halten, wie zum Beispiel bei einem hypothetischen Ausfall einer Payload während der Startphase, da jeder Ausfall andere Payloads oder sogar das Trägersystem beschädigen kann.“

Alba-Pod V2 wurde zudem eingehenden Schwingungstests unterzogen und konnte sich dabei durch ein außergewöhnlich gutes Verhalten auszeichnen.

„Wenn es um Freisetzungen in den Weltraum geht“, fährt das Team von Alba Orbital fort, „spielt auch das Gewicht auf Grund der damit verbundenen Kosten eine grundlegende Rolle. Der Einsatz von Windform XT 2.0 hat es uns ermöglicht, das Gewicht zahlreicher Hauptkomponenten zu reduzieren.“

Am 9. September 2019 hat Alba Orbital den ersten Pocket-Qube für seine Freisetzung im Weltraum in den Alba-Pod V2 eingesetzt. Anfang Dezember 2019 hat Alba Orbital dann sechs Pocket-Qube-Satelliten mit dem neuen Freisetzungssystems in die Umlaufbahn gebracht. Die Mikrosatelliten dieser Alba Cluster 2 genannten Mission befinden sich seit mehr als 100 Tagen in der Umlaufbahn.

Eine neue Freisetzung mit dem dritten von CPR Technology hergestellten Alba-Pod V2, die mit der Mission Alba Cluster 3 stattfinden wird, ist für Ende 2020 geplant.

CRP Technology wird übrigens die Herstellung des Alba-Pod V2, die eingesetzte Technologie und das verwendete Material auf dem vierten Pocket-Qube-Workshop vorstellen, der am 8. und 9. Oktober 2020 an der Universität Glasgow stattfinden wird.

gk