Al fine di evidenziare il massimo beneficio dalla stampa 3D per produrre un oggetto altamente impegnativo per una missione spaziale, un team guidato dall’ESA ha iniziato con un telescopio spaziale progettato in Olanda , che identifica l’ozono e altri gas di traccia nell’atmosfera terrestre, quindi lo ha completamente riprogettato per la produzione additiva.
Il risultato è composto da tre parti principali, con nove parti in totale tra cui i due specchi del telescopio, stampati in lega di alluminio di grado volo. Rispetto alla versione originale da 2,8 kg, il telescopio dello strumento di monitoraggio dell’ozono, OMI, a bordo della missione EOS-Aura della NASA, questa versione è di 0,76 kg, circa il 73% più leggera, senza riduzione della qualità di misurazione.
“Questo è uno strumento ad alte prestazioni – il predecessore dello strumento Tropomi a bordo di Sentinel-5P – che deve essere allineato in modo estremamente preciso otticamente per svolgere il suo lavoro, identificando le impronte digitali spettrali dei gas in traccia nell’atmosfera”, ha spiegato Laurent, ingegnere dei materiali dell’ESA Pambaguian. Tali strutture optomeccaniche richiedono molto materiale, processo di produzione e team di progettazione.
“Uno dei vantaggi della stampa 3D, altrimenti nota come produzione additiva, è che questa versione dello strumento svolge i suoi compiti utilizzando pochissime parti”, ha aggiunto Floris van Kempen dell’istituto di ricerca olandese TNO, che ha costruito lo strumento OMI originale (anche come Tropomi). “Ciò è stato reso possibile, poiché quelle parti possono essere costruite con una geometria complessa, permettendoci di unire la funzionalità al loro interno. Ciò consente di risparmiare preziose masse e sforzi per la progettazione, l’assemblaggio e il collaudo del sistema. Allo stesso tempo, consente tutti i compiti necessari di un robusto strumento ottico di alta qualità. “
Il processo di stampa significava anche che l’intricata struttura interna del telescopio poteva essere realizzata in una sola volta, inclusi i molteplici deflettori utilizzati per ridurre la “luce diffusa” indesiderata interna e tutto ciò che fissava i due specchi in posizione. “Lo scopo generale di questa attività è stato quello di concentrarsi sulla catena di approvvigionamento necessaria per produrre un articolo funzionale complesso come questo telescopio utilizzando la produzione additiva”, ha affermato Laurent. “Volevamo capire come tutti i partner avrebbero dovuto essere coinvolti, le informazioni trasferite tra loro e i tipi di fornitori di servizi aggiuntivi che dovevano essere acquistati, su base end-to-end”.
Questo “Telescopio dimostrativo per produzione additiva” è stato sviluppato da un consorzio guidato da OHB System in Germania, tra cui anche TNO, l’Istituto olandese per la ricerca spaziale SRON, l’Istituto tedesco Fraunhofer per la tecnologia di produzione e materiali avanzati, materializza la Germania e l’IABG tedesco eseguendo test del parte risultante. Il lavoro è stato supportato dal programma General Support Technology dell’ESA, a supporto di tecnologie promettenti per il volo spaziale.
L’aspetto organico del telescopio deriva da un approccio di progettazione computazionale chiamato ottimizzazione della topologia che posiziona il materiale proprio dove si trovano i carichi, in modo simile al modo in cui un albero fa crescere i rami. Laurent ha aggiunto: “Questo ha portato ad alcune sorprese, ad esempio, mentre il design originale aveva sei gambe per sei punti di attacco, abbiamo finito con sei gambe per soli quattro punti di attacco, che si sono rivelati molto efficaci.”
“Sebbene questo sia stato il nostro primo tentativo di utilizzare la tecnologia di produzione additiva per un caso d’uso opto-meccanico complesso, il team ha potuto dimostrare chiaramente i vantaggi della tecnologia sviluppando e producendo un complesso telescopio esigente e di alta precisione”, ha dichiarato Markus, responsabile del progetto OHB Thiel. “Anche dopo un completo programma di test ambientali che includeva vuoto termico, sinusoidali e test di vibrazione e shock casuali, il telescopio dimostrativo additivo prodotto era pienamente conforme ai requisiti di prestazione ottica pertinenti.
“La nostra lezione principale appresa come un grande integratore di sistemi è che una catena di processi end-to-end affidabile e completamente tracciabile dalla progettazione e sviluppo attraverso la produzione, la post-elaborazione, l’assemblaggio e l’integrazione fino alla verifica e all’ispezione finale è la chiave per introdurre additivi complessi produzione di pezzi realizzati in futuri carichi utili ottici. “
Sebastian Klein di IABG ha dichiarato: “L’aspetto eccitante del progetto per noi era che le nostre competenze e strutture di test hanno supportato l’intero ciclo di sviluppo, iniziando con l’analisi delle proprietà del materiale di stampa scelto. Siamo passati ai test delle vibrazioni della breadboard, i nostri risultati si sono confermati utili per perfezionare il modello di progettazione finale. Dobbiamo quindi sottoporre l’oggetto finale a vibrazioni e piroshock, per garantire che soddisfino i requisiti esigenti coinvolti. “
Parti strutturali come lanciatori o puntoni satellitari sono già abitualmente stampati in 3D per missioni spaziali, ma l’idea di questo progetto era di produrre un oggetto molto più impegnativo. Laurent ha aggiunto: “Questo ci porta molto più vicino a dove la produzione additiva potrebbe essere utilizzata per l’hardware di volo impegnativo in futuro. Il costo è abbastanza basso da consentire ai potenziali project manager di sviluppare una parte in parallelo con un articolo tradizionale, per poi raggiungere un punto di decisione sulla versione da caricare. “
La ricerca e sviluppo sulla stampa 3D intrapresa nell’ambito dell’iniziativa Advanced Manufacturing dell’ESA mira a consentire la tecnica per un uso più diffuso in tutto il settore spaziale. L’ESA sta attualmente completando lo standard di cooperazione europea in materia di standardizzazione dello spazio per la stampa 3D per lo spazio, essenzialmente una guida alle migliori pratiche per tutte le attività spaziali europee. A seguito di un processo di revisione pubblica, lo standard è previsto per il rilascio il prossimo anno.
