Una struttura satellitare sviluppata attraverso la manifattura additiva
NESST Srl ha progettato, prodotto e sottoposto a validazione una struttura destinata a un CubeSat 3U utilizzando la tecnologia di stampa 3D industriale di Roboze e il materiale composito Carbon PEEK.
Il lavoro è stato condotto nell’ambito di un progetto sostenuto dall’Agenzia Spaziale Italiana, indicata con l’acronimo ASI, e dall’Agenzia Spaziale Europea, ESA. L’obiettivo tecnico consisteva nel verificare se una struttura realizzata mediante deposizione di filamento fuso potesse offrire caratteristiche meccaniche e prestazioni compatibili con i requisiti di una piattaforma satellitare di piccole dimensioni.
Per la produzione, NESST Srl ha impiegato una stampante 3D Roboze ARGO 500 e il Carbon PEEK sviluppato da Roboze. Roboze ha inoltre collaborato con NESST Srl durante la definizione dei parametri di stampa, contribuendo all’ottimizzazione del processo e alla caratterizzazione del materiale.
Il risultato riguarda la struttura portante del CubeSat 3U e non equivale alla certificazione di un satellite completo pronto per il lancio. Un veicolo spaziale comprende infatti sottosistemi elettrici, alimentazione, controllo termico, telecomunicazioni, computer di bordo, sensori, eventuali sistemi di propulsione e il carico utile previsto dalla missione.
Il progetto di NESST Srl e Roboze dimostra però che i polimeri rinforzati stampati mediante tecnologia FFF possono essere valutati anche per elementi strutturali, superando il ruolo tradizionale di prototipi, coperture e attrezzature di supporto.
Che cos’è un CubeSat 3U
I CubeSat sono satelliti di piccole dimensioni costruiti secondo un formato modulare. L’unità di base, indicata come 1U, corrisponde a un volume prossimo a un cubo con lato di circa dieci centimetri. Le configurazioni più grandi sono ottenute affiancando o sovrapponendo più unità.
Un CubeSat 3U occupa un volume indicativo di circa 10 × 10 × 34 centimetri e può raggiungere, in base alla configurazione e alle specifiche adottate, una massa di alcuni chilogrammi.
La standardizzazione delle dimensioni facilita l’integrazione dei sottosistemi e permette di utilizzare componenti commerciali progettati per interfacce conosciute. Consente inoltre di inserire il satellite all’interno di appositi dispositivi di rilascio, chiamati deployer, che proteggono il CubeSat durante il lancio e ne controllano l’espulsione una volta raggiunta l’orbita prevista.
La struttura portante deve mantenere le dimensioni richieste dal deployer, sostenere i componenti interni e resistere alle sollecitazioni generate durante il lancio. Deve anche limitare deformazioni che potrebbero compromettere l’integrazione dei pannelli, dei circuiti elettronici e dei sistemi di apertura.
In un satellite di questo formato, ogni grammo sottratto alla struttura può essere utilizzato per aumentare il carico utile, aggiungere sensori, installare batterie con maggiore capacità o introdurre ulteriori funzioni.
Dal telaio in alluminio alla stampa 3D in Carbon PEEK
Le strutture dei CubeSat vengono spesso prodotte in leghe di alluminio mediante fresatura CNC, taglio, foratura e assemblaggio di più elementi. L’alluminio offre un rapporto consolidato tra massa, rigidità, lavorabilità e comportamento termico.
La produzione sottrattiva parte però da un blocco o da una lastra di materiale, dalla quale vengono asportate le parti non necessarie. La geometria deve essere compatibile con il passaggio degli utensili e alcune forme richiedono lavorazioni multiple, riposizionamenti o la costruzione di elementi separati.
NESST Srl ha analizzato la possibilità di sostituire questa impostazione con una struttura prodotta mediante manifattura additiva. Nella stampa FFF, il componente viene costruito depositando strati successivi di materiale termoplastico seguendo un percorso generato dal modello digitale.
Il passaggio alla produzione additiva permette a NESST Srl di progettare nervature, alleggerimenti, cavità e collegamenti che sarebbero più difficili da ottenere mediante fresatura. Le aree sottoposte alle sollecitazioni maggiori possono essere rinforzate, mentre il materiale può essere rimosso dalle zone che contribuiscono meno alla resistenza complessiva.
La libertà geometrica non elimina la necessità di rispettare tolleranze, superfici di contatto e interfacce standardizzate. Le guide esterne del CubeSat, per esempio, devono essere compatibili con il deployer e non possono essere modificate senza considerare le specifiche del sistema di lancio.
Le prestazioni meccaniche verificate nel progetto
La caratterizzazione condotta nell’ambito del progetto ha indicato che il Carbon PEEK lavorato mediante il processo FFF di Roboze può raggiungere, nelle condizioni sottoposte a verifica, prestazioni meccaniche confrontabili con quelle delle leghe di alluminio convenzionali utilizzate come riferimento.
Questa conclusione deve essere interpretata nel contesto del progetto di NESST Srl e Roboze. Non significa che ogni componente stampato in Carbon PEEK possa sostituire automaticamente un equivalente metallico.
Le prestazioni di una parte stampata dipendono dall’orientamento degli strati, dalla temperatura della camera, dall’adesione tra le linee depositate, dalla percentuale di riempimento, dalla presenza di vuoti, dallo spessore delle pareti e dalla direzione delle sollecitazioni.
Un materiale stampato mediante FFF presenta inoltre un comportamento anisotropo. La resistenza può cambiare a seconda che il carico agisca parallelamente o perpendicolarmente agli strati. Per questo motivo, NESST Srl e Roboze hanno dovuto collegare la progettazione della struttura ai parametri produttivi, evitando di valutare separatamente geometria e processo.
La sostituzione dell’alluminio richiede quindi un percorso che comprende progettazione per la manifattura additiva, produzione di campioni, caratterizzazione meccanica e verifica della struttura finale.
Perché NESST Srl ha scelto il Carbon PEEK di Roboze
Il PEEK, acronimo di polietereterchetone, appartiene alla famiglia dei polimeri termoplastici ad alte prestazioni. Il materiale viene utilizzato in applicazioni che richiedono resistenza meccanica, stabilità alle alte temperature e compatibilità con sostanze chimiche aggressive.
Il Carbon PEEK di Roboze combina una matrice in PEEK con un rinforzo in fibra di carbonio. L’aggiunta delle fibre aumenta la rigidità del materiale e riduce il coefficiente di espansione termica rispetto al polimero non rinforzato.
Una minore espansione termica può aiutare a controllare le variazioni dimensionali durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento. Si tratta di un aspetto importante per i componenti spaziali, esposti a condizioni termiche differenti a seconda dell’orbita, dell’orientamento e dell’esposizione alla radiazione solare.
Roboze dichiara per il proprio Carbon PEEK una resistenza a trazione di 146 MPa e un modulo elastico di 10,1 GPa. I valori derivano da provini realizzati e testati secondo condizioni definite e non devono essere trasferiti direttamente alla struttura completa senza considerare orientamento, geometria e processo.
Il Carbon PEEK offre anche resistenza a numerosi solventi, acidi e basi. La fibra di carbonio contribuisce alla distribuzione del calore e aumenta la stabilità dimensionale del componente.
Per NESST Srl, la scelta del Carbon PEEK non era quindi legata soltanto alla riduzione della massa. Il progetto richiedeva un materiale in grado di affrontare contemporaneamente esigenze meccaniche, termiche, dimensionali e di compatibilità con l’ambiente spaziale.
Il controllo del degassamento nel vuoto
Uno dei passaggi centrali della validazione ha riguardato il comportamento del Carbon PEEK in condizioni di vuoto. Il materiale ha soddisfatto i requisiti di degassamento considerati dal progetto secondo lo standard ECSS-Q-ST-70-02C.
Il degassamento si verifica quando un materiale rilascia sostanze volatili in un ambiente a pressione molto bassa. Sulla Terra, parte di queste sostanze viene dispersa nell’atmosfera. Nel vuoto spaziale, i composti rilasciati possono depositarsi su superfici vicine.
La contaminazione può compromettere ottiche, sensori, rivelatori, superfici termiche e componenti elettronici. Anche quantità ridotte di materiale condensato possono alterare la trasmissione di una lente o il comportamento di una superficie progettata per assorbire o riflettere il calore.
Lo standard ECSS-Q-ST-70-02C descrive un metodo di prova in vuoto termico per valutare i materiali destinati alla costruzione di veicoli spaziali, apparecchiature associate e componenti per lanciatori.
Il metodo stabilisce parametri relativi alla temperatura, alla pressione, alla durata dell’esposizione, alla preparazione dei campioni e alla raccolta dei dati. I criteri di accettazione possono diventare più restrittivi in funzione della posizione del materiale e della vicinanza a elementi sensibili.
Il superamento della prova di degassamento costituisce quindi un passaggio necessario per considerare il Carbon PEEK in un’applicazione spaziale. Non rappresenta però, da solo, una qualifica completa della struttura per ogni missione o condizione orbitale.
Il ruolo della stampante Roboze ARGO 500
NESST Srl ha prodotto i componenti della struttura con la piattaforma Roboze ARGO 500, una stampante 3D industriale progettata per la lavorazione di superpolimeri e materiali compositi.
La macchina dispone di un volume di costruzione di 500 × 500 × 500 millimetri, sufficiente per contenere gli elementi di una struttura CubeSat 3U e per produrre componenti più grandi senza suddividerli in sezioni eccessivamente piccole.
La piattaforma Roboze utilizza una camera riscaldata per mantenere una temperatura uniforme durante la deposizione. Il controllo termico è essenziale nella lavorazione del PEEK perché un raffreddamento non omogeneo può provocare deformazioni, tensioni residue e distacchi dal piano.
La versione attuale della piattaforma Roboze ARGO 500 raggiunge una temperatura della camera fino a 180 °C e una temperatura di estrusione fino a 500 °C. La gestione del materiale comprende anche sistemi di essiccazione e controllo dell’umidità.
Il PEEK è sensibile alla preparazione precedente alla stampa. L’umidità assorbita può generare difetti durante l’estrusione, influenzando la qualità superficiale e le proprietà meccaniche. La gestione del filamento deve quindi essere considerata parte del processo produttivo e non una semplice operazione di magazzino.
Roboze utilizza inoltre un sistema di movimento privo delle tradizionali cinghie, denominato Beltless System. La trasmissione è progettata per controllare il posizionamento della testina e ridurre alcuni dei problemi associati all’allungamento e all’usura delle cinghie.
Roboze dichiara una precisione di posizionamento sugli assi X e Y pari a 10 micrometri. Questo dato indica la capacità del sistema di movimento, ma non deve essere confuso con la tolleranza garantita su ogni parte, che dipende anche dal materiale, dalla geometria e dalla strategia di stampa.
Il supporto tecnico fornito da Roboze a NESST Srl
Roboze non ha fornito a NESST Srl soltanto la stampante e il materiale. Roboze ha partecipato alla fase di definizione dei parametri di produzione utilizzati durante i test.
Per un polimero semicristallino come il PEEK, la temperatura della camera, la temperatura dell’estrusore e la velocità di raffreddamento influenzano la struttura interna del materiale. Modificare questi valori può alterare stabilità dimensionale, resistenza e comportamento del componente.
L’altezza dello strato, la larghezza delle linee, il numero delle pareti perimetrali e la strategia di riempimento devono essere scelti in base alle direzioni dei carichi previste. Anche l’orientamento del pezzo sul piano può determinare quali sollecitazioni agiscono lungo gli strati e quali attraversano le interfacce tra uno strato e il successivo.
Roboze ha lavorato con NESST Srl per individuare una finestra di processo adatta alla struttura CubeSat e per assicurare che i campioni sottoposti alle prove fossero rappresentativi dei componenti prodotti.
Questo approccio è importante perché una scheda tecnica del materiale non descrive da sola il comportamento della parte finale. Nel settore spaziale, materiale, stampante, parametri, operatore e controlli devono essere considerati come elementi di un unico processo.
La specializzazione di NESST Srl nei componenti ad alte prestazioni
NESST Srl, denominazione abbreviata di New Era Smart Solutions and Technologies Srl, opera a Bari ed è specializzata nella produzione additiva di componenti finiti mediante materiali ad alte prestazioni.
NESST Srl lavora nei settori aerospazio e difesa, mobilità, petrolio e gas, medicale e robotica. NESST Srl è inoltre un Roboze 3D Parts Center ufficiale e utilizza le piattaforme Roboze per produrre componenti in superpolimeri e compositi.
Il progetto CubeSat si inserisce in questa attività, orientata alla sostituzione di alcuni componenti metallici con parti polimeriche progettate per condizioni operative impegnative.
Il passaggio dal metallo al polimero non deve essere affrontato come una semplice copia geometrica. Una parte progettata per essere fresata in alluminio può contenere spessori, raccordi e collegamenti non adatti alla produzione additiva.
NESST Srl ha quindi potuto ripensare la struttura in funzione delle proprietà del Carbon PEEK e delle possibilità offerte dalla deposizione strato su strato.
Ridurre il numero di parti e le operazioni di assemblaggio
Uno dei principali vantaggi della manifattura additiva consiste nella possibilità di consolidare più elementi in un singolo componente.
Una struttura CubeSat tradizionale può comprendere pannelli, traverse, supporti, distanziali e collegamenti prodotti separatamente. Ogni parte richiede lavorazioni, controlli e operazioni di montaggio. Viti, inserti e interfacce aumentano il numero complessivo dei componenti e possono introdurre punti di concentrazione delle sollecitazioni.
NESST Srl può utilizzare la stampa 3D per integrare alcuni supporti direttamente nella struttura. Canali, passaggi per i cavi, sedi per sensori e punti di fissaggio possono essere inseriti nel modello digitale prima della produzione.
La riduzione del numero di elementi non comporta automaticamente una struttura migliore. Un componente unico può essere più difficile da ispezionare, riparare o sostituire. La progettazione deve quindi trovare un equilibrio tra integrazione funzionale e accessibilità.
Per un CubeSat, questo equilibrio è particolarmente importante perché lo spazio interno è limitato e i tecnici devono poter installare, collegare e controllare i sottosistemi prima del lancio.
Dalla struttura passiva a un componente multifunzionale
NESST Srl ha indicato che la seconda fase del progetto sarà dedicata a una maggiore funzionalizzazione della struttura CubeSat.
Tra le possibilità considerate figurano l’integrazione di cablaggi, componenti elettronici e sistemi microfluidici. L’obiettivo consiste nel trasformare la struttura da elemento destinato soltanto a sostenere i carichi in una parte capace di svolgere ulteriori funzioni.
I cablaggi integrati potrebbero ridurre il numero di fascette, staffe e supporti necessari per organizzare i collegamenti elettrici. Canali e guide stampati direttamente nelle pareti potrebbero proteggere i cavi e mantenere ordinato il volume interno.
L’integrazione dell’elettronica richiede invece una valutazione della dissipazione termica, dell’isolamento, della compatibilità elettromagnetica e della possibilità di sostituire i dispositivi durante l’assemblaggio.
I sistemi microfluidici potrebbero essere utilizzati per il controllo termico, la gestione di fluidi per esperimenti scientifici o altre funzioni collegate al carico utile. La manifattura additiva consente di produrre condotti interni con percorsi difficili da ottenere mediante lavorazioni sottrattive.
Prima dell’impiego in una missione, queste soluzioni dovranno essere sottoposte a prove specifiche per escludere perdite, ostruzioni e incompatibilità tra materiale, fluido e condizioni ambientali.
I vantaggi della personalizzazione per le missioni CubeSat
La struttura di un CubeSat è vincolata dalle dimensioni esterne, ma il volume interno può essere organizzato in base agli obiettivi della missione.
Una missione di osservazione terrestre può richiedere spazio per un sistema ottico. Un satellite destinato alle telecomunicazioni può avere bisogno di antenne, amplificatori e sistemi di gestione termica differenti. Un esperimento scientifico può richiedere contenitori, tubazioni o supporti dedicati.
Con la produzione tradizionale, ogni variante può rendere necessarie nuove attrezzature, programmi CNC e fasi di assemblaggio. Con il processo digitale utilizzato da NESST Srl e Roboze, le modifiche vengono introdotte nel modello tridimensionale e trasferite alla produzione dopo le verifiche necessarie.
Questo approccio può risultare adatto a serie limitate, dimostratori tecnologici e satelliti costruiti per missioni specifiche. La manifattura additiva non richiede che ogni struttura sia identica alla precedente per distribuire il costo di uno stampo o di un’attrezzatura dedicata.
Rimangono però necessari il controllo della configurazione, la tracciabilità del materiale, la registrazione dei parametri e la gestione delle revisioni. Nel settore spaziale, una modifica geometrica apparentemente limitata può influenzare massa, frequenze di risonanza, distribuzione termica e compatibilità con il deployer.
Le verifiche necessarie prima dell’impiego in orbita
La validazione del materiale e della struttura rappresenta una parte del percorso che conduce all’impiego in una missione.
Un componente destinato al volo deve essere verificato in relazione alle condizioni specifiche del lanciatore, dell’orbita e della durata operativa. Le prove possono comprendere vibrazioni, urti, cicli termici, vuoto termico, compatibilità elettromagnetica e controlli dimensionali.
Anche l’esposizione alle radiazioni deve essere valutata in funzione dell’orbita. La radiazione può modificare nel tempo alcune proprietà dei polimeri, mentre l’ossigeno atomico presente nelle orbite terrestri basse può degradare le superfici esposte.
La struttura deve inoltre mantenere la propria stabilità durante i cicli termici, evitando deformazioni che possano interferire con pannelli solari, antenne e meccanismi di apertura.
Il lavoro di NESST Srl e Roboze non elimina queste fasi. Fornisce una base tecnica per includere il Carbon PEEK e la stampa FFF tra le opzioni valutabili durante lo sviluppo di una struttura CubeSat.
Un confronto che non si limita al peso
Il confronto tra Carbon PEEK e alluminio non può essere basato su un unico valore di resistenza o sulla sola densità.
L’alluminio conduce il calore e l’elettricità in modo diverso dal Carbon PEEK. Una struttura metallica può contribuire alla distribuzione del calore e alla messa a terra elettrica dei sottosistemi. Sostituirla con un composito richiede quindi soluzioni alternative per queste funzioni.
Il materiale polimerico può offrire isolamento elettrico e minore conduzione termica, caratteristiche utili in alcune aree e problematiche in altre. La scelta dipende dalla configurazione del satellite e dalla posizione dei componenti che producono calore.
Anche il comportamento al fuoco, la resistenza alle radiazioni e la compatibilità con rivestimenti o inserti devono essere considerati. I punti di fissaggio sottoposti a serraggio possono richiedere inserti metallici per distribuire il carico ed evitare deformazioni locali.
La stampa 3D può ridurre gli scarti di lavorazione rispetto alla fresatura di un blocco, ma richiede energia per mantenere la camera ad alta temperatura e tempi di produzione che dipendono dalla geometria. La valutazione ambientale ed economica deve quindi considerare l’intero ciclo produttivo.
Il valore industriale della collaborazione tra Roboze e NESST Srl
La collaborazione tra Roboze e NESST Srl mostra un modello nel quale il produttore della tecnologia lavora insieme all’utilizzatore per qualificare materiale, parametri e applicazione.
Roboze mette a disposizione la piattaforma ARGO 500, il Carbon PEEK e le competenze sul processo. NESST Srl contribuisce con progettazione, produzione dei componenti, conoscenza applicativa e percorso di validazione.
Questa divisione delle competenze è rilevante per le applicazioni regolamentate. Una stampante capace di estrudere PEEK non garantisce, da sola, che ogni componente ottenuto sia adatto allo spazio. Allo stesso modo, un buon progetto non può compensare un processo instabile o un materiale gestito senza controlli adeguati.
La disponibilità di parametri ripetibili e di dati ottenuti attraverso le prove permette di passare dalla dimostrazione tecnologica a una valutazione industriale. Ogni applicazione dovrà comunque essere verificata in relazione ai requisiti della missione e alle procedure dell’organizzazione responsabile del satellite.
Il possibile ruolo dei superpolimeri nei piccoli satelliti
La crescita delle missioni CubeSat aumenta la domanda di strutture leggere, personalizzabili e producibili in quantità limitate.
Le leghe metalliche continueranno a essere utilizzate per numerose applicazioni grazie alla loro storia operativa, alla disponibilità di dati e alla facilità con cui possono essere ispezionate. I superpolimeri possono però affiancare i metalli nei casi in cui la riduzione della massa, l’isolamento elettrico e l’integrazione delle funzioni offrano un vantaggio concreto.
Il progetto condotto da NESST Srl con la tecnologia di Roboze indica che la stampa FFF può essere valutata anche per la struttura principale di un CubeSat 3U, a condizione che il materiale e il processo vengano sottoposti a caratterizzazione.
La fase successiva, dedicata all’integrazione di cablaggi, elettronica e microfluidica, potrà mostrare se il principale beneficio della manifattura additiva risiederà nella semplice sostituzione del metallo o nella creazione di strutture satellitari con più funzioni incorporate.
Il secondo scenario potrebbe offrire i vantaggi maggiori. Ridurre il numero di componenti, liberare volume interno e semplificare l’assemblaggio può avere un impatto sul progetto complessivo superiore alla sola sostituzione dell’alluminio con un materiale più leggero.
Per NESST Srl e Roboze, il CubeSat 3U costituisce quindi una piattaforma di verifica per un metodo produttivo nel quale progettazione, materiale e parametri di stampa vengono sviluppati come parti dello stesso sistema.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
