Raggiungere l’orbita terrestre bassa (LEO) a bordo dello Space Shuttle costava fino a 60.000 dollari al chilogrammo. Mentre i costi sono diminuiti drasticamente grazie all’emergere di razzi riutilizzabili come SpaceX Falcon 9, il peso rimane un fattore critico per ogni missione nello spazio. Durante lo sviluppo di Monolith abbiamo continuamente ripetuto un design ultraleggero per ridurre i costi di orbita, utilizzando tecniche di fabbricazione digitale all’avanguardia. Il risultato è uno chassis completamente stampato in 3D che è più leggero di oltre il 40% rispetto a un case solido, pur mantenendo la piena integrità strutturale e resistenza.
Arrivare nello spazio (e restare nello spazio)
Lo spazio è difficile. Le sue difficili condizioni presentano numerosi ostacoli che possono rendere incredibilmente sottile la differenza tra successo e fallimento. Una volta lasciata l’atmosfera terrestre, ci troviamo di fronte a un ambiente ostile e a una varietà di sfide come temperature estreme, microgravità, vuoto e alti livelli di radiazioni, che richiedono tutte tecnologie sofisticate per consentire qualsiasi tipo di esplorazione. Tuttavia, prima ancora di poterci preoccupare dello spazio, dobbiamo prima essere in grado di lasciare la superficie terrestre, raggiungere lo spazio e restarci.
Mentre lo spazio inizia, a seconda della definizione, a sole 62 miglia sopra la superficie terrestre (nota come linea di Kármán), c’è una grande differenza tra raggiungere lo “spazio” e raggiungere l'”orbita”. Per non ricadere direttamente sulla superficie terrestre, un veicolo spaziale non deve solo volare in alto, ma raggiungere la sua velocità di fuga , la velocità minima richiesta da un oggetto per sfuggire all’attrazione gravitazionale dell’oggetto principale. Nel caso della Terra, un veicolo spaziale deve viaggiare a quasi 25.000 miglia all’ora per non ricadere in superficie.
L’energia richiesta per raggiungere la velocità di fuga sulla Terra è significativa. Infatti, circa il 90% della massa di un razzo costituisce propellente, che viene bruciato entro pochi minuti dal lancio. Per dirla diversamente, ogni volta che aggiungi ~ 1 kg di carico, il razzo ha bisogno di altri 10 kg di carburante.
Questo spiega anche perché i razzi nel corso della storia umana potevano essere usati solo una volta e sono stati completamente distrutti dopo aver consegnato il loro carico utile in orbita. Ogni componente dei razzi è stato progettato per raggiungere l’orbita e non è stato aggiunto nulla per un ritorno sicuro in superficie. Immagina di prenotare un biglietto aereo dagli Stati Uniti alla Germania e all’arrivo butti via l’aereo. Quei biglietti aerei sarebbero estremamente costosi. Questa è stata la realtà del volo spaziale, fino a poco tempo fa.
Solo pochi anni fa, SpaceX è diventato il primo produttore a realizzare il Santo Graal della missilistica: sistemi di lancio in grado di trasportare carichi utili in orbita e successivamente tornare sulla Terra in un unico pezzo riutilizzabile.
La stampa 3D ha svolto un ruolo significativo nello sviluppo di razzi riutilizzabili. Allo stesso tempo, la tecnologia detiene ancora un vasto potenziale non sfruttato per altre applicazioni.
La produzione tradizionale funziona tipicamente per sottrazione: si inizia con un blocco di materiale e si rimuovono parti di quel materiale fino a ottenere la forma desiderata. Al contrario, la stampa 3D, nota anche come produzione additiva, produce oggetti aggiungendo strati di materiale fino a ottenere la forma desiderata.
La stampa 3D è un termine generico che comprende una serie di tecnologie in grado di elaborare vari tipi di materiali. Ciò che hanno tutti in comune è che la concezione di un oggetto inizia nel regno del software e richiede un pensiero fondamentalmente diverso rispetto alla preparazione di progetti per metodi di fabbricazione convenzionali. Tutto ciò che cerchiamo di creare nel mondo fisico è limitato in una certa misura dai metodi di fabbricazione disponibili. La stampa 3D rimuove molte delle limitazioni tradizionali e ci consente di fabbricare progetti che possono essere significativamente più ottimizzati per lo scopo designato.
Prendiamo l’esempio dei motori a razzo, che sono sistemi estremamente complessi, costruiti con migliaia di singoli componenti. Ora esiste una nuova generazione di società di tecnologia spaziale, come SpaceX e Relativity Space, che sono in grado di sfruttare la stampa 3D per ridurre il numero totale di parti in quei motori di un fattore 100. Ciò si traduce in motori molto più efficienti con un migliore rapporto spinta/peso, maggiore affidabilità e enormi miglioramenti nella loro producibilità su larga scala. La stampa 3D ha anche consentito una consegna delle parti significativamente più rapida e una maggiore flessibilità grazie a catene di approvvigionamento più semplici.
Allo stesso tempo, questi miglioramenti rappresentano solo l’inizio di ciò che è possibile. Guardando ai prossimi anni e decenni in cui l’umanità sposterà la vita oltre la Terra, la stampa 3D sarà una tecnologia fondamentale che ci consentirà di fabbricare pezzi di ricambio e altri componenti nello spazio, sulla Luna e su Marte.
Il telaio di Monolith è prodotto utilizzando la stampa 3D in metallo, che utilizza un laser per fondere strati di polvere metallica a grana fine in una forma tridimensionale.
Chassis monolito stampato in 3D
Durante la progettazione di Monolith, siamo stati in grado di basarci sugli insegnamenti acquisiti da Project One, in particolare per quanto riguarda la stampa 3D. L’intero team di Barrelhand ha anche applicato anni di esperienza nella costruzione e nella guida di aziende nello spazio della fabbricazione digitale. Questa conoscenza è andata verso la creazione di nuovi standard nella progettazione e produzione di Monolith.
L’attuale iterazione del telaio è monoliticamente stampata in 3D in titanio Ti 6Al-4V di grado aerospaziale, che è uno dei molteplici materiali di grado aerospaziale che stiamo esplorando. Incorporando alette scheletrate e strutture reticolari interne, siamo stati in grado di ridurre il peso complessivo di oltre il 40% preservandone la piena integrità strutturale. Abbiamo progettato e ottimizzato il telaio pensando alla stampa 3D, ottenendo una geometria con varie aree scavate e strutture reticolari di supporto che non avrebbero potuto essere realizzate con nessun altro metodo di fabbricazione.
“Progettare qualcosa che può essere stampato monoliticamente in 3D senza i vincoli della produzione tradizionale è il Santo Graal dell’ingegneria. Ci consente di creare praticamente qualsiasi geometria complessa, completamente ottimizzata per le dure condizioni dello spazio. Mi è piaciuto molto scorrere il processo di progettazione e guardando il caso formarsi quasi organicamente dai requisiti tecnici in qualcosa che sembra arte in funzione dell’ingegneria “.
Karel Bachand, fondatore e ingegnere capo, Barrelhand
Il telaio Monolith è il risultato di una collaborazione con Materialise, un fornitore leader di soluzioni di stampa 3D con una vasta esperienza di lavoro per l’industria aerospaziale. Materialise ha istituito il proprio Centro di competenza per la stampa 3D in metallo a Brema, in Germania, dove dispone di ingegneri dedicati con anni di esperienza, offrendo l’intera gamma di competenze AM dalla progettazione all’impostazione dei parametri dedicati e alla finitura finale. Molto più della semplice stampa della cassa di un orologio, Materialise e Barrelhand stanno creando nuovi standard per la progettazione, la produzione e la garanzia della qualità delle parti stampate in 3D per applicazioni di produzione in serie, rispettando gli standard ISO.
La tecnologia utilizzata per la stampa 3D del telaio è chiamata sinterizzazione laser diretta del metallo (DMLS) e funziona fondendo insieme sottili strati di polvere metallica a grana fine (ogni grano è di soli 25-50 micrometri, circa 4 volte più sottile di un capello umano). DMLS è la stessa tecnica utilizzata da SpaceX per stampare in 3D i componenti dei motori a razzo. Questo processo rimuove molte limitazioni dei metodi di fabbricazione convenzionali e ci ha permesso di creare una struttura che è l’ideale per le sfide dello spazio, sia in termini di requisiti di peso che di resistenza.
Sebbene la produzione additiva offra una libertà di progettazione senza precedenti, ciò non significa che sia facile lavorarci. Durante lo sviluppo, abbiamo dovuto capire in che modo le forze e le temperature uniche del processo di costruzione influissero sul design per garantire un risultato finale coerente e di alta qualità. Mentre la stampa 3D ci ha permesso di creare un telaio con strutture complesse e cavità interne, il design è anche autoportante durante il processo di stampa (ovvero non ci sono sporgenze superiori a 45 gradi). Ciò ha portato a forme organiche che sono facili da stampare e fluiscono con il design.
“La libertà di progettazione nella produzione additiva ci ha permesso di combinare perfettamente innovazione e leggerezza per abbinare l’approccio visionario del progetto. Con la nostra conoscenza approfondita dal design alla stampa e alla finitura, siamo riusciti a consultare perfettamente Barrelhand sullo sviluppo di un prodotto professionale per spazio, pronto per la produzione in serie.”
Philip Buchholz, Innovation Manager Metal 3D Printing, Materialise
Attualmente siamo alla quattordicesima iterazione del telaio, il che dimostra un altro vantaggio della produzione additiva: la capacità di iterare rapidamente i progetti. Questo percorso di sviluppo ha comportato la rimozione di materiale laddove possibile mantenendo un telaio robusto e rigido, fino a raggiungere l’attuale telaio pronto per la produzione. Il design finale trova un equilibrio tra la massimizzazione del potenziale della produzione additiva scalabile, il rispetto dei requisiti di spazio e la fornitura di superfici delicate che si sentono a posto.
Con soli 10 g (peso equivalente a 10 graffette) per l’intero telaio in titanio, consentirà a Monolith di essere in una nuova categoria di orologi ultraleggeri, fedele alla nostra missione di costruire prodotti per il prossimo capitolo dell’esplorazione spaziale.
