Miniatursatellit aus dem 3D-Drucker

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Ein professioneller 3D-Druck mit Verbundwerkstoffen könnte die Herstellung von Miniatursatelliten revolutionieren – erste Tests erfolgreich bestanden.

Die steigende Zahl an hergestellten und in die Umlaufbahn gebrachten Kleinsatelliten führt zu einem massiven Wandel der Raumfahrtindustrie und versetzt die Branche in große Aufregung. Die Technologien der Additiven Fertigung unterstützen nicht nur diesen tief greifenden Wandel – sie erlauben es zudem durch den Einsatz von hochleistungsfähigen Verbundwerkstoffen, mit deren Hilfe belastbare Strukturbauteile für Miniatur­satelliten herstellt werden können, ganz neue Ziele zu erreichen.

Bis zu einem breiten Einsatz des professionellen 3D-Drucks in Raumfahrtanwendungen ist es zwar noch ein weiter Weg. Das im italienischen Modena ansässige Unternehmen CRP Technology hat aber bereits umfangreiche Erfahrungen auf diesem Gebiet gesammelt und verschiedene inno­vative Lösungen an die weltweit führenden Unternehmen der Branche geliefert.

Kleinsatellit aus dem 3D-Drucker

Ein aktuelles Beispiel ist der im 3D-Druck hergestellte 3U Cube Sat Kleinsatellit, der in Zusammen­arbeit von CRP Technology mit LISA entstanden ist – dem Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques als inter­universitäres Labor der Universität Paris-Est Créteil.
Das Projekt wurde vom Centre national d’études spatiales (CNES) und der Space Campus University betreut und hatte das Ziel, einen Cube Sat-Demonstrationssatelliten für den Flug in der erdnahen Umlaufbahn zu planen und zu bauen.

Aus gutem Grund haben die Inge­nieure von LISA und CNES beschlossen, CRP Technology mit dem Bau des Kleinsatelliten zu beauftragen. Die Erklärung liefert der Projektleiter von LISA: „Wir wussten, dass wir mit dem Verfahren des Lasersinterns und der Familie der hochleistungsfähigen Verbundwerkstoffe von Windform­ Top-Line von Projektbeginn an in der Lage sein würden, eine Struktur zu schaffen, die alle erfor­derlichen Kriterien erfüllt.“ Eine Rolle bei der Entscheidung dürfte auch gespielt haben, dass CPR über 25 Jahre Erfahrung in der Anwendung und Entwicklung von Technologien und Materialien für die Additive Fertigung verfügt.

Umfangreiche Tests im Vorfeld

Der Demonstrator musste sowohl für Vibrationstests als auch für Thermalvakuumtests zur Kontrol­le des Wärmezyklus geeignet sein. Darüber hinaus musste er den Anforderungen in Bezug auf die Ausgasung gerecht werden.

Auch der in die Struktur integrierte Batteriehalter wurde 3D-gedruckt. Foto: CRP/Lisa

„Das Projekt wurde unter Berücksichtigung all dieser Auflagen umgesetzt. Die Unterstützung von CRP Technology war für die Errei­chung unserer Ziele ausschlag­gebend. Mit den Werkstoffen Windform Top-Line und dem Verfahren des selektiven Lasersinterns konnten wir auch die Masse reduzieren und die Integra­tion von Teilen im Inneren des Cube Sat optimieren“, so der Projektleiter von LISA.

Die Struktur des Cube Sat erwies sich als Schlüsselelement für den Erfolg des gesamten Projekts, da sie auch den Anforderungen der Startrampe in Bezug auf Abmessungen, Ebenheit und Rauheit, Ausgasung, UV-Beständigkeit, Wärmeausdehnung und anderen allgemeinen Auflagen in Bezug auf die Raumverhältnisse gerecht werden muss.

Ein K.-o.-Kriterium war zudem, dass die Struktur auf keinen Fall brechen oder in der Startvorrichtung stecken bleiben durfte.
Die Aufgabe war schwierig, aber dank der langjährigen, in Zusammenarbeit mit den fortschrittlichsten Industriezweigen gesammelten­ Erfahrung im Bereich der Additi­ven Fertigung nahm CRP Techno­logy die Herausforderung an.

Die Tätigkeit der 3D-Druckabteilung von CRP Technology, die eng mit dem Ingenieurteam von LISA zusammenarbeitete, konzentrierte­ sich von Anfang an auf die Optimierung und Erreichung der geforderten Ziele. Die Arbeit begann mit einer eingehenden Analyse der 2D- und 3D-Dateien. Im Rahmen der Zusammenarbeit hat CRP Technology dem Team von LISA verschiedene Änderungen vorgeschlagen, um die Geometrie der Teile zu verbessern und so die gesetzten Ziele in Bezug auf Massenoptimierung und Integration der Innenteile zu erreichen.

Die 3D-gedruckte Struktur des Miniatursatelliten hat erfolgreich alle Tests und Abnahmen bestanden. Foto: CRP/Lisa

Im weiteren Verlauf des Projekts hat CRP Technology LISA und CNES bei der Auswahl der besten Technologie und des besten Materials­ für die Herstellung des Miniatursatelliten unterstützt, um den Erfolg des Projekts abzusichern. Für die Umsetzung haben sich die Ingenieure von LISA und CNES für das selektive Lasersintern und das Material Windform XT 2.0 aus der Familie Windform Top-Line entschieden.

Wie CRP erklärt, ist Windform XT 2.0 ein hochmodernes Material, das den Vorgänger Windform XT ersetzt hat. Windform XT 2.0 zeichnet sich durch deutliche Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften aus, darunter +8 % bei der Bruchlast, +22 % beim Elastizitätsmodul und +46 % bei der Bruchdehnung.

Nachdem CRP Technology die .STP-Datei mit den optimierten Geometrien erhalten hatte, wurde in kürzester Zeit die Struktur des Kleinsatelliten hergestellt. Die im 3D-Druck produzierte Struktur wurde anschließend den Kontroll- und Abnahmeverfahren unterzogen, die sie erfolgreich bestanden und somit die Anforderungen und Standards von LISA vollständig erfüllt hat.

Alle Kontrollen erfolgreich bestanden

Nach der Integration verschiedener Teile in die im 3D-Druck hergestellte Struktur wurden von LISA und CNES weitere Kontrollen am Kleinsatelliten durchgeführt, darunter die erwähnten Thermalvakuum- und Vibrationstests. Auch hier waren alle Beteiligten mit den erzielten Ergebnissen äußert zufrieden.

So erklärte auch das Team von LISA: „Wir sind mehr als zufrieden und sind der Meinung, dass das kohlefaserverstärkte Material Windform XT 2.0 einen revolutio­nären Werkstoff für Kleinsatelliten­ und deren Entwicklung darstellt. Unser Traum? Dass die Additive Fertigung zunehmend in der Raumfahrt eingesetzt wird.“

gk

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