La prossima frontiera di Zortrax è lo spazio! All’inizio del 2022, il produttore polacco di stampanti 3D lancerà un circuito elettrico stampato in 3D nell’orbita terrestre bassa (LEO). Dal 2019, la società lavora con il supporto dell’Agenzia spaziale europea (ESA) per sviluppare una tecnologia di stampa 3D composita che consente la fabbricazione di parti pronte per lo spazio con circuiti elettrici a base polimerica incorporati. Ora, un circuito dimostratore funzionale progettato dall’ESA realizzato con la sua stampante Endureal industriale ad alta tecnologia sarà testato in volo a bordo del WISA Woodsat , un nanosatellite in compensato di betulla progettato e costruito da Arctic Astronautics , una società finlandese specializzata in tecnologia spaziale educativa.
L’ingegnere dei materiali e dei processi non metallici dell’ESA Ugo Lafont afferma che l’agenzia ha avuto l’opportunità di contribuire al carico utile di Woodsat e ha chiesto a Zortrax di produrre una delle parti funzionali che il suo team ha progettato utilizzando due miscele di PEEK, uno dei polimeri più resistenti del pianeta. Il corpo e la copertura del dimostratore sono realizzati con il materiale Z-PEEK standard dell’azienda , lanciato a metà del 2021 e offerto in commercio per la stampante 3D Zortrax Endureal. Inoltre, per creare i percorsi elettricamente conduttivi è stata utilizzata una miscela unica ed elettricamente conduttiva di PEEK, potenziata con nanotubi di carbonio e nanoparticelle di grafene sviluppate dall’ESA.
“Negli ultimi anni abbiamo lavorato alla stampa 3D utilizzando ‘polieteretere chetone’ – o PEEK – che è un termoplastico resistente con un punto di fusione fino a circa 350ºC, in grado di fare il lavoro equivalente di alcune parti metalliche. Ora abbiamo chiesto all’azienda polacca Zortrax, che dispone di affidabili stampanti commerciali a doppia stampa nel proprio portafoglio, di produrre parti di prova”, ha spiegato Lafont. “Abbiamo fornito loro campioni delle nostre due varianti in PEEK, quindi l’azienda ha lavorato all’ottimizzazione dei parametri della doppia stampa per stampare in modo affidabile percorsi elettricamente conduttivi attraverso un corpo in PEEK standard”.
Di fronte a vincoli di tempo molto stretti, l’uso di un doppio processo di stampa 3D si è dimostrato una risorsa per preparare e qualificare la demo in tempo. Ora, l’obiettivo dell’esperimento è raggiungere LEO. Una volta lì, il dispositivo interamente stampato in 3D trasmetterà il suo primo messaggio ed esaminerà come l’esposizione all’ambiente spaziale influenzerà la funzionalità del circuito durante il funzionamento.
Il raggiungimento della qualità e della precisione di stampa per realizzare parti pronte per il volo è stata una pietra miliare significativa per il team di ricerca e sviluppo della società di stampa 3D. Secondo Jacek Krywko di Zortrax, leader delle soluzioni di stampa 3D avanzate, i circuiti stampati 3D utilizzati per i test a terra quasi un anno fa erano relativamente grandi e la loro geometria era semplice. Tuttavia, in soli dodici mesi, il suo team è riuscito a sviluppare la capacità di stampare un circuito molte volte più piccolo e che doveva includere fori per viti e instradamento per cavi, oltre a percorsi conduttivi polimerici, assicurandosi che sopravvivesse alla fase di lancio e le condizioni dell’ambiente spaziale: tutto questo in un dispositivo delle dimensioni di un francobollo.
Tuttavia, realizzare un dimostratore PEEK composito così piccolo in grado di trasmettere dati dallo spazio non è stato facile. La sfida di Zortrax era stampare con due diversi materiali PEEK in doppia estrusione. Una volta ottenuta la capacità di stampare simultaneamente con due miscele di PEEK, il team di ricerca e sviluppo di Zortrax ha iniziato a perfezionare la tecnologia per rendere il modello pronto per il volo spaziale.
Krywko descrive almeno tre problemi che dovevano essere risolti affinché la demo funzionasse una volta lanciata. Innanzitutto, l’accuratezza dimensionale necessitava di miglioramenti per stampare parti più piccole che si adattassero a CubeSats, come WISA Woodsat. Inoltre, gli ingegneri Zortrax hanno dovuto aumentare la conduttività PEEK dell’ESA per rendere il trasferimento di energia e dati meno dispendioso in termini di energia. Infine, è stato necessario eliminare le lacune nei modelli stampati che si presentavano tra la parete esterna della parte e il riempimento per eliminare l’eventuale aria intrappolata che potrebbe espandersi sotto vuoto quando il circuito stampato raggiunge lo spazio.
Infine, tutti i problemi sono stati risolti dagli ingegneri ESA e Zortrax, che affermano di essere stati i primi a utilizzare la doppia estrusione con due miscele di PEEK per stampare parti avanzate con capacità di alimentazione e trasferimento dati. Il dimostratore che alla fine è stato installato a bordo del satellite e ha superato tutti i test impegnativi per l’autorizzazione al volo era una struttura quasi solida. È stata un’impresa che Krywko ha affermato: “è molto difficile da ottenere nella stampa di oggetti molto piccoli con polimeri ad alte prestazioni”.
La missione pionieristica di WISA Woodsat con il circuito elettrico stampato in 3D sarà lanciata nello spazio sul veicolo di lancio a due stadi di Rocket Lab Electron dallo spazioporto di Māhia in Nuova Zelanda. Come molte società spaziali oggi, Rocket Labs utilizza anche le tecnologie AM per sviluppare molti dei suoi componenti di veicoli spaziali, inclusi i motori a razzo alimentati a batteria quasi interamente stampati in 3D che spingeranno Electron in orbita.
Una volta che WISA Woodsat raggiunge LEO, si concentrerà sull’esplorazione del comportamento del compensato nello spazio per due anni. Durante quel periodo, CubeSat raccoglierà dati sul comportamento e sulla durata del materiale nelle rigide temperature, nel vuoto e nelle radiazioni dello spazio. Commentando il progetto, il CEO di Zortrax Mariusz Babula ha suggerito che i circuiti elettrici a base di polimeri PEEK stampati in 3D per i test di volo per la prima volta nella storia “si adattano perfettamente al tema generale di questa rivoluzionaria missione”.
Stampante 3D Zortrax Endureal utilizzata per creare il dimostratore che volerà nella missione WISA Woodsat. Immagine per gentile concessione di Zortrax.
“Riteniamo che i materiali innovativi e la produzione additiva renderanno lo spazio più accessibile e più facile da raggiungere per le aziende e gli scienziati di tutto il mondo. E Zortrax ha un ruolo importante da svolgere nel plasmare questo futuro”.
Oltre a stampare il dimostratore PEEK con percorsi elettricamente conduttivi incorporati, Zortrax è attualmente impegnato con l’ESA su due nuovi progetti di ricerca non divulgati. Nel frattempo, il team di ricerca e sviluppo dell’azienda sta lavorando per rendere disponibili le funzionalità di stampa 3D composite e altre funzionalità, progettate specificamente per l’ESA, come aggiornamenti software per tutti i clienti che hanno acquistato stampanti 3D Endureal.
