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Stampa 3D a gravità zero

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Il Team AIMIS-FYT utilizza vipro-HEAD per esperimenti nell'ambito di un progetto ESA

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Un team di studenti dell'Università di Scienze Applicate di Monaco di Baviera si è candidato con successo alla campagna "Fly Your Thesis 2020!" dell'Agenzia Spaziale Europea ESA. All'inizio di novembre 2020, a Bordeaux, nell'ambito della sua campagna di stampa 3D, saranno effettuati esperimenti a gravità zero. Gli otto membri del team AIMIS-FYT sono studenti di ingegneria aerospaziale dell'Università di Scienze Applicate di Monaco di Baviera. Il nome AIMIS sta per Additive Manufacturing in Space. Il loro progetto mira a dimostrare un processo di stampa 3D che può essere utilizzato per produrre strutture per pannelli solari, antenne o altre installazioni nello spazio.

La stampa viene testata con una testina di stampa 3D di ViscoTec: la vipro-HEAD 5, una testina di stampa monocomponente che ha già dato prova di sé in numerose applicazioni con materiali viscosi e paste. I materiali vengono trasportati in modo puramente volumetrico. Il principio del pistone senza fine garantisce risultati di stampa precisi: durante il passaggio ad una nuova linea, grazie ad un risucchio programmabile, è possibile evitare filettature indesiderate. Anche le fluttuazioni di processo come la viscosità, la pressione e la temperatura vengono livellate all'interno del processo di stampa.

Il team AIMIS-FYT utilizza una resina UV per l'esperimento. La resina viene estrusa e polimerizzata dalla luce UV. Gli esperimenti dei tre voli parabolici si svolgeranno a novembre. Sono previste 30 parabole per ogni volo, sulle quali viene mantenuta la gravità zero per 20 secondi da un punto di svolta attraverso il picco all'altro punto di svolta della parabola. Durante questo periodo gli esperimenti possono essere effettuati. Il team AIMIS-FYT ha la possibilità di realizzare un totale di otto esperimenti per studiare il processo di stampa 3D in condizioni di microgravità. Saranno generate barre dritte, connettori a barre o barre a forma libera. Per le prime sei modalità, come punto di partenza per la stampa viene utilizzata una piastra di stampa convenzionale. Negli ultimi due esperimenti si osserverà il comportamento delle barre pressanti e flottanti. I parametri principali del processo di stampa saranno la velocità di estrusione della resina, l'intensità della luce UV, il tempo di luce UV e la traiettoria della stampante. Il numero di parabole permette di ripetere ogni esperimento più volte con diverse impostazioni di parametri.

Attualmente è possibile trasportare attrezzature o pezzi di ricambio nello spazio solo con grandi spese. In un'intervista, Torben Schaefer, portavoce della stampa del team AIMIS-FYT, spiega di più su questo entusiasmante progetto:

1. Cosa ha dato la spinta per scegliere la campagna Fly Your Thesis 2020! dell'ESA. Da dove è nata l'idea di realizzare la stampa 3D a gravità zero?

Torben Schaefer: L'idea è nata dall'ispirazione del nostro professore di spazio dell'Università di Scienze Applicate di Monaco di Baviera - il Prof. Markus Pietras. Markus Pietras. In precedenza aveva già assegnato progetti su questo tema a studenti che stavano conducendo esperimenti con questa tecnologia. Questo ha portato all'interesse e all'idea di sviluppare il programma Fly Your Thesis 2020! dell'ESA.

La procedura che stiamo studiando ha lo scopo di espandere le possibilità di future missioni spaziali e di ridurre i costi. Le missioni di oggi sono fortemente limitate dalle alte forze coinvolte nei lanci di razzi, dalla massa massima al decollo e dal volume limitato all'interno del razzo.

Il nostro processo di stampa 3D è in grado di stampare direttamente strutture tridimensionali nello spazio utilizzando un adesivo o un composto di colata UV-curabile. La combinazione di una tecnologia innovativa e la libertà quasi illimitata di forme e applicazioni ispira tutto il nostro team ed è stata decisiva per l'ulteriore esplorazione di questa tecnologia. Inoltre, siamo stati tutti affascinati dallo spazio fin da piccoli. Il nostro team partner AIMIS-REXUS ha effettuato una prima dimostrazione tecnologica sul razzo sonda REXUS. Noi - AIMIS-FYT - faremo un passo avanti e testeremo le singole operazioni di base in assenza di peso.

2. Come siete arrivati a ViscoTec?

Torben Schaefer: A differenza delle tradizionali stampanti 3D per hobby, il nostro processo di stampa stampa stampa con una resina ad indurimento UV. Questa resina deve essere stampata in dosi per produrre strutture 3D. Dopo alcune ricerche, ci siamo imbattuti in ViscoTec, che offre già una testina di stampa 3D per tali applicazioni.

Poiché il materiale da stampa - nel nostro caso le resine a media e alta viscosità - è una parte centrale del processo di stampa, abbiamo inizialmente deciso di utilizzare resine con tempi di polimerizzazione rapidi. Allo stesso tempo, sono stati definiti i requisiti per il trasporto e il dosaggio del materiale, come ad esempio un trasporto molto preciso e costante del materiale anche ad alta viscosità. Dal nostro punto di vista, ViscoTec è una delle aziende leader nel campo del trasporto e del dosaggio di materiale a media e alta viscosità, per cui abbiamo cercato rapidamente il contatto diretto. Un ulteriore vantaggio è che lo sponsor delle nostre resine lavora a stretto contatto con ViscoTec e quindi si possono utilizzare ulteriori effetti di sinergia.

3. Perché avete scelto le testine di stampa ViscoTec?

Torben Schaefer: Nel nostro processo di stampa è importante una consegna precisa, stabile alla pressione e costante del materiale e i parametri devono essere mantenuti costanti durante l'intero processo. Ciò è garantito soprattutto dal preciso motore passo-passo, dall'alimentazione e dallo sfiato del materiale ottimizzato e dal semplice collegamento Luer-Lock per qualsiasi ugello. L'intera testa di stampa pesa meno di 1 kg e ha una forma compatta in modo da poter essere spostata con precisione nello spazio per stampare le forme desiderate. Inoltre, la velocità di alimentazione della testina di stampa, fondamentale per il nostro esperimento, può essere adattata individualmente alle nostre esigenze in qualsiasi momento.

4. Quale materiale deve essere stampato? E perché avete deciso questo materiale?

Torben Schaefer: Attualmente stiamo testando due diversi materiali della società Delo. Entrambi sono universalmente applicabili, polimerizzano la luce in un campo di lunghezza d'onda di 320 - 420 nm e mostrano una buona stabilità e resistenza dopo il processo di polimerizzazione. Inoltre, entrambi i materiali reagiscono relativamente rapidamente con la luce UV e quindi hanno un tempo di indurimento sufficientemente breve.

Il Photobond AD491 è un adesivo acrilico fotopolimerizzabile UV e fotopolimerizzabile con una viscosità media. Si caratterizza per il suo rapido tempo di indurimento e l'elevata velocità di estrusione. Inoltre, la linea di polimerizzazione può essere controllata a piacere mediante un'irradiazione UV mirata.

Tuttavia, per poter stampare strutture ancora più rigide, stiamo progettando di testare il materiale Katiobond GE680 durante i voli parabolici. Si tratta di un adesivo epossidico altamente viscoso UV e fotopolimerizzabile, che il nostro team di partner AIMIS-REXUS testerà anche sul suo razzo di ricerca. Questo permette di confrontare i risultati tra le squadre. Il vantaggio di Katiobond GE680 è che il processo di polimerizzazione deve essere avviato solo da una singola esposizione UV e il materiale è completamente polimerizzato dopo 24 ore.

5. Come pensa che andranno gli esperimenti? Cosa stamperete esattamente a novembre?

Torben Schaefer: Gli esperimenti si basano sulle quattro operazioni di base che abbiamo individuato per le strutture di stampa (ad es. strutture a traliccio) in assenza di peso e sono ordinate in base alla crescente complessità:

- Asta dritta

- Barra dritta con punti di partenza/arresto

- Bar a forma libera

- Connettori a barra

Combinando queste operazioni di base, in futuro dovrebbe essere possibile stampare strutture complessi complessive.

In tre giorni di volo voleremo un totale di 90 parabole e quindi potremo condurre un totale di 90 esperimenti. Gli esperimenti sono suddivisi nelle quattro operazioni di base e all'interno di ogni funzione di base variamo diversi parametri per identificare la loro influenza sul risultato della stampa. Pertanto, equipaggiamo il nostro esperimento con una varietà di sensori, come termocamere, sensori di pressione dell'aria, sensori di temperatura, ecc. Il risultato sono 90 barre stampate di varie dimensioni e forme, che vengono successivamente analizzate in dettaglio.

6. Si prega di descrivere brevemente le possibilità che si presenteranno in caso di successo del progetto. Qual è il valore aggiunto per il settore aerospaziale (europeo)?

Torben Schaefer: Il nostro progetto è una dimostrazione tecnologica avanzata delle quattro operazioni di stampa 3D di base. Le conoscenze acquisite dagli esperimenti saranno utilizzate per ottimizzare ulteriormente il processo di stampa e per dimostrare la funzionalità primaria della produzione additiva a gravità zero. In futuro, la tecnologia potrà essere ulteriormente migliorata e forse anche testata nello spazio. Questo perché la tecnologia offre l'opportunità di ridurre drasticamente i costi dei satelliti e di altre missioni spaziali.

7. Come vi preparerete per gli esperimenti da qui a novembre?

Torben Schaefer: Attualmente siamo nella fase di progettazione dell'allestimento sperimentale in quanto il nostro prototipo non soddisfa tutti i requisiti per un'implementazione di successo a gravità zero. La prossima pietra miliare è il CDR (Critical Design Review) alla fine di aprile. A quel punto, tutto il lavoro di progettazione sarà completato e inizieremo con il montaggio del setup sperimentale. Saranno effettuati ulteriori test paralleli con il prototipo e all'inizio di giugno avrà luogo la fase di prova dell'esperimento di aeronavigabilità.

L'intero progetto è molto orientato verso un vero e proprio progetto ESA e quindi copre quasi tutti i settori importanti. Oltre alle sfide tecnologiche, gli studenti si trovano ad affrontare sfide riguardanti l'organizzazione, la leadership, le relazioni pubbliche e le dinamiche del team - dai piani di progetto strutturati, ai post sui social media, alla progettazione del proprio sito web fino alla guida di team di progetto più piccoli. I risultati degli esperimenti saranno disponibili a novembre.

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