Europäische Weltraumorganisation unterstützt 3D-gedrucktes Projekt für reibungslose Ausrüstung

Nominierungen für die 3D Printing Industry Awards 2023 sind jetzt möglich. Wer sind die Spitzenreiter im 3D-Druck? Finden Sie es am 30. November heraus, wenn die Gewinner in zwanzig Kategorien während einer Live-Preisverleihung in London bekannt gegeben werden.

Das Schweizer Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie (CSEM) hat mit den Metall-3D-Druckspezialisten 3D Precision and Space und Naval SME Almatech SA zusammengearbeitet, um einen Compliant Rotation Reduction Mechanism (CRRM) zu entwerfen, zu drucken und zu testen.

Das CRRM ist ein 3D-gedrucktes All-in-One-Gerät aus Hochleistungs-Edelstahl und ein reibungsloser, getriebekonformer Mechanismus.

Das Getriebesystem ist so konzipiert, dass es die präzise Drehung von Luft- und Raumfahrtkomponenten wie Triebwerken, Sensoren und Teleskoplinsen oder Spiegeln ermöglicht, ohne dass eine Schmierung erforderlich ist. Um dies zu erreichen, nutzt das CRRM eine Biegung oder „elastische Verformung“ und verfügt über 24 biegbare Klingen, von denen 16 ineinandergreifen.

Das Projekt mit dem Namen „COMAM“ startete 2018 und wurde durch das General Support Technology Program (GSTP) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) finanziert. Das von CSEM entworfene CRRM wurde von 3D Precision in 3D gedruckt, während die Leistungstests von Almatech SA durchgeführt wurden.

„Die verformbaren und starren Teile werden als eine einzige monolithische Struktur zusammengebaut, wodurch eine zeitaufwändige Montage und Ausrichtung vermieden wird“, erklärte Paolo Zaltron, technischer Leiter der ESA. „Ihre ungewöhnlichen Formen haben die Grenzen der additiven Fertigungstechnologien verschoben und sind das Ergebnis fortschrittlicher Optimierungstechniken, die zu beispiellos hoher Flexibilität und geringer Masse führen.“

3D-Druck eines reibungslosen Zahnrads

Bei Raumfahrtanwendungen kann der Einsatz von Schmiermitteln zu einer unerwünschten Kontamination empfindlicher Systeme führen und Verschleiß verursachen, der die Gesamtlebensdauer der Komponente verkürzen kann. Besonders attraktiv sind daher reibungsfreie Mechanismen, die keiner Schmierung bedürfen.

Während nachgiebige Mechanismen in Raumfahrtanwendungen wohlbekannt sind und häufig dort eingesetzt werden, wo eine reibungsfreie Bewegung erforderlich ist, ist ihre Konstruktion und Produktion eine Herausforderung. Dies liegt daran, dass diese Mechanismen eine komplexe Architektur aufweisen und aus verschiedenen präzisen Teilen bestehen, die traditionell bearbeitet, überprüft, ausgerichtet und aneinander befestigt werden.

Die additive Fertigung bietet erhebliche Vorteile bei der Herstellung dieser Mechanismen, darunter Designfreiheit und die Möglichkeit, komplexe monolithische Formen ohne Montageaufwand herzustellen. Tatsächlich wird behauptet, dass die Integration von 24 Biegeblättern des CRRM zur Bildung gekreuzter Drehpunkte und acht Zwischenstufen in einem so kleinen Volumen ohne den Einsatz additiver Fertigung nicht möglich wäre. Darüber hinaus ist dank der Vorteile des 3D-Drucks keine Ausrichtung zwischen den Biegestrukturen erforderlich, um eine ordnungsgemäße Kinematik sicherzustellen.

Um den Mechanismus zu entwerfen, kombinierte das Team parametrische und Topologieoptimierungen. Diese Kombination soll die Masse und Eigenfrequenzen des Teils erheblich verbessert haben und einen ersten Eigenmodus von über 550 Hz ergeben. Letztendlich ermöglicht das CRRM eine Reduzierung der Drehbewegung um den Faktor 10, was besonders nützlich für Scan-, Zeige-, Kalibrierungs- oder Flip-Mirror-Mechanismen ist.

Obwohl die Gesamtergebnisse dieses Projekts als „sehr ermutigend“ angesehen werden, litten die Leistungs- und Lebensdauertestergebnisse unter der Verzerrung der beiden hergestellten und getesteten Broadboard-Modelle.

Die vollständigen Ergebnisse des Testprozesses und weitere Informationen zur Entwicklung und Produktion des CRRM sind im CEAS Space Journal verfügbar.

3D-Druck von Luft- und Raumfahrtkomponenten

Der Einsatz additiver Fertigung zur Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten ist nichts Neues. Anfang dieses Jahres wurde bekannt gegeben, dass der australische Wärmeübertragungsspezialist Conflux Technology eine Partnerschaft mit dem in Deutschland ansässigen Weltraumraketenhersteller Rocket Factory Augsburg (RFA) eingegangen ist, um seine 3D-gedruckte Conflux-Wärmetauschertechnologie in eine Orbitalrakete einzubetten.

Die Wärmetauscher werden aus dem Metalllegierungsmaterial Monel K 500 von Conflux Technology hergestellt und mit der M300-4 Direct Metal Laser Sintering (DMLS)-Technologie von EOS 3D-gedruckt. Der Gaskanal-Wärmetauscher wurde im Rahmen der Moon-to-Mars-Initiative der australischen Raumfahrtbehörde entwickelt und soll bis Ende des Jahres entwickelt, hergestellt und einem Funktionstest unterzogen werden.

Ebenso wurde kürzlich bekannt gegeben, dass die Portland State Aerospace Society (PSAS) die 3D-Drucktechnologie genutzt hat, um OreSat0, ein CubeSat-System, erfolgreich in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen. Die kritischen Subsysteme des 3D-gedruckten Satelliten wurden aus dem Verbundmaterial Windform LX 3.0 von CRP Technology hergestellt. Kostengünstige Fused Deposition Modeling (FDM)-3D-Drucker wurden für die Prototypenerstellung verwendet, bevor das Team zum selektiven Lasersintern (SLS) mit Windform LX 3.0 überging, um die endgültigen Teile in 3D zu drucken.

OreSat0.5 soll im Oktober 2023 starten, während OreSat1 Anfang 2024 von der Internationalen Raumstation (ISS) aus starten soll.

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Alex ist Technologiejournalist bei 3D Printing Industry und recherchiert und schreibt gerne Artikel zu einer Vielzahl von Themen. Er besitzt einen BA in Militärgeschichte und einen MA in Kriegsgeschichte und hat ein großes Interesse an additiven Fertigungsanwendungen in der Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtindustrie.