Stampa 3D di un satellite, introduzione
“Stampa 3D di un satellite” è una locuzione sempre più utilizzata nei testi sullo spazio, soprattutto quando vengono descritte missioni che coinvolgono nanosatelliti o satelliti miniaturizzati . Sempre più spesso, infatti, ci si imbatte in frasi: “La rivoluzione dei piccoli satelliti o “nanosatelliti” è qui”. Infatti ora i satelliti con massa non superiore a 1 chilogrammo, come i CubeSats, hanno funzionalità che fino a poco tempo fa erano disponibili solo nei satelliti più grandi da 100 a 1.000 kg.
In anni recenti la stampa 3D professionale ha contribuito ad accelerare questa vera e propria rivoluzione, soprattutto nelle università.
I CubeSats sono stati lanciati da dozzine di paesi, atenei e aziende in tutto il mondo. Lo stato dell’Oregon, Stati Uniti, si è unito a loro di recente, grazie alla Portland State Aerospace Society (PSAS) che ha costruito OreSat0, il proprio sistema CubeSat, attualmente in orbita terrestre bassa. Questo risultato è stato possibile grazie all’utilizzo del materiale composito Windform LX 3.0 e della stampa 3D industriale nella creazione dei sottosistemi più critici.
Windform LX 3.0 ed il servizio di stampa 3D professionale sono stati forniti da CRP USA.
Il progetto OreSat
La Portland State Aerospace Society è un gruppo studentesco interdisciplinare open source che si dedica a progetti aerospaziali con sede presso la Portland State University di Portland, Oregon (Stati Uniti). Ad essa collaborano altre università dell’Oregon. I membri producono sofisticati razzi amatoriali, piccoli motori per razzi a combustibile liquido e nanosatelliti CubeSat.
Attualmente stanno lavorando a tre missioni satellitari che fanno capo al bus OreSat, una piattaforma “fai da te” poco costosa (per un satellite) utilizzata per la progettazione e la costruzione di CubeSat da 1U a 3U.
“OreSat – spiegano i membri della PSAS – è il nostro sistema CubeSat completamente open source, modulare e riutilizzabile, progettato per team educativi. OreSat utilizza un sistema “a gabbia” con schede, che consente di riutilizzarle in diverse missioni. Le schede comprendono tutto ciò che ti aspetti in un CubeSat: un computer di bordo con radio multibanda, un pacco batteria, un payload ottico, un ricevitore GPS e un primo sistema di determinazione e controllo dell’assetto (ADCS). I moduli solari sono montati all’esterno del telaio in alluminio, insieme alle antenne omnidirezionali dispiegabili.
OreSat0 è stato rilasciato in orbita terrestre bassa il 15 marzo 2021 e da allora sta operando con successo.
OreSat0.5 verrà lanciato nell’ottobre 2023 e OreSat1 verrà dispiegato dalla stazione spaziale internazionale all’inizio del 2024.
Il progetto
Compito della Portland State Aerospace Society è migliorare l’educazione degli studenti attraverso progetti pratici di ingegneria dei sistemi. Tutto è progettato, costruito e testato da team multidisciplinari di studenti: gli ingegneri meccanici lavorano sulla struttura, sulle termiche e sul CAD, gli ingegneri elettronici progettano i circuiti stampati PCB (schede standard a due e quattro strati) e gli studenti di informatica programmano Linux box e microcontrollori.
I membri PSAS aggiungono: “Ci sono pochissimi satelliti open source al mondo, e il nostro è probabilmente il più completo. Attualmente stiamo collaborando con altre quattro università nella costruzione di satelliti e stazioni di terra basate sui nostri progetti.”
Utilizzo della stampa 3D professionale e Windform
Prima di utilizzare la sinterizzazione laser selettiva e Windform LX 3.0 per alcuni sottosistemi di OreSat0, i membri della PSAS hanno usato altre tecnologie. “Abbiamo progettato e fabbricato le parti localmente utilizzando macchine FDM estremamente economiche, fino a quando non abbiamo prototipato un progetto che funzionasse. Siamo quindi passati alla tecnologia SLS, che ha funzionato molto bene. Ma non siamo riusciti a trovare materiali per SLS in grado di sopportare le temperature estreme e che fossero classificati per il vuoto secondo gli standard di degassamento della NASA e dell’ESA.
Quando abbiamo trovato il materiale composito Windform LX 3.0 di CRP Technology e CRP USA come fornitore, ci siamo entusiasmati! Windform LX 3.0 ha cambiato il nostro modo di progettare le parti del nostro satellite grazie alle sue caratteristiche: può essere utilizzato nello spazio; ha proprietà estremamente buone; è facile da lavorare; è di gran lunga superiore agli altri materiali per la stampa 3D con FDM, SLA e SLS che abbiamo utilizzato in precedenza.”
I sottosistemi OreSat0 stampati in Windform LX 3.0
Il team PSAS ha scelto di costruire i sottosistemi più critici in Windform LX 3.0, materiale rinforzato con fibra di vetro della gamma di materiali compositi Windform TOP-LINE per il processo di stampa 3D Powder Bed Fusion (nello specifico, la Sinterizzazione Laser Selettiva).
Sistema di dispiegamento dell'antenna turnstile tribanda
Tra i sottosistemi in Windform LX 3.0, vi è il sistema di dispiegamento – estremamente affidabile – dell’antenna turnstile (o “a tornello”) tri-banda.
Il sistema presenta 3 antenne separate (UHF a 436,5 MHz, banda L a 1,265 GHz e L1 a 1,575 GHz) ciascuna con 4 elementi; tutti e 12 gli elementi si dispiegano utilizzando monofili di nylon e un singolo resistore a fusione.
Secondo il team: “Non saremmo stati in grado di ottenere la densità di impaccamento di tre bande con quattro elementi ciascuna, se non grazie alla stampa 3D e al Windform LX 3.0. Non conosciamo nessun altro satellite con questo tipo di densità di potenza”.
Gruppo porta sensore stellare ed elemento ottico
Utilizzando Windform LX 3.0, il team PSAS è stato in grado di montare il sensore stellare ed elemento ottico su una piccola scheda figlia mantenendo il gruppo compatto e con un fattore di forma di 10 mm d’altezza.
Pacco batteria
Il pacco batteria doveva contenere 18650 celle da sottoporre a test di vibrazione, fornendo allo stesso tempo isolamento termico ed elettrico dal resto del satellite. Windform LX 3.0 ha consentito ai membri della PSAS di realizzare un gruppo batteria estremamente compatto e robusto.
Test effettuati sulle parti in Windform
Prima dell’integrazione nel sistema di rilascio, OreSat0 e le sue parti in Windform LX 3.0 sono stati sottoposti ai seguenti test: vibrazione casuale 14 g su tre assi, ciclo termico da -40 a +80 °C e ciclo del vuoto. Le parti in Windform hanno performato in maniera impeccabile.
“Un satellite in orbita è esposto ad alcune delle condizioni più dure che un sistema possa sopportare: 14 g di vibrazioni casuali durante il lancio, il vuoto dello spazio che provoca il degassamento della maggior parte dei materiali plastici, e un intervallo di temperatura estremo da -40 °C, o più freddo!, a +100 °C, o più caldo!” sottolineano i membri della PSAS.
Vantaggi dell’utilizzo del materiale Windform LX 3.0
Il team della PSAS ha riconosciuto tre vantaggi cruciali nell’utilizzo del Windform LX 3.0 e della tecnologia di stampa 3D /processo di Sinterizzazione Laser Selettiva:
- Il processo SLS fornisce parti robuste che possono sostenere test ambientali, tra cui 14 g di vibrazioni casuali su tutti e tre gli assi e cicli di vuoto termico da -40 a +80 °C.
- Windform LX 3.0 fornisce una conformità al degassamento cruciale, non disponibile con nessun altro processo additivo testato dalla PSAS
- Windform LX 3.0 crea un gruppo non conduttivo che può essere utilizzato in sicurezza accanto a componenti elettronici, come PCB, batterie e antenne
Secondo quanto riportato dagli studenti: “Lavorare con i nanosatelliti significa gestire un volume estremamente limitato, quindi avere la possibilità di trasformare e massimizzare l’uso dello spazio è un elemento molto vantaggioso. Quando utilizziamo parti stampate in 3D, riusciamo a compattare molti elementi in uno spazio ridotto, e possiamo così pianificare l’utilizzo di quasi ogni millimetro del satellite.
Avere a che fare con il design “finale” è sempre complicato: abbiamo pensato a tutto? Una volta che hai il pezzo in mano, è molto più difficile apportare modifiche. Fortunatamente, la stampa 3D ci permette di fare correzioni velocemente, se notiamo qualcosa di sbagliato.”
Uso del Windform LX 3.0 in futuri sottosistemi OreSat
Windform LX 3.0 è utilizzato per realizzare futuri sottosistemi OreSat, tra cui:
Meccanismo di rilascio dell’antenna monopolo
Una versione modificata del meccanismo di rilascio dell’antenna di OreSat0 che utilizza due elementi monopolo (banda L e banda UHF) invece di un’antenna turnstile. Il sistema fornisce anche supporto strutturale all’obiettivo della Cirrus Flux Camera, una telecamera a infrarossi a onde corte montata accanto al sistema di rilascio.
Sistema di rilascio dell’antenna elicoidale
Sistema di rilascio dell’antenna elicoidale con porta, filo e antenna elicoidale compressa.
Dopo che il satellite è in orbita, il filo bruciato consente alla porta di aprirsi e la molla si dispiega fuori e in posizione.
