Stampa 3D in PEKK di un attuatore parabolico con Roboze Plus PRO

DREX: la tecnologia delle antenne dispiegabili per le telecomunicazione spaziali

Le antenne paraboliche sono una tecnologia estremamente comune utilizzata per le telecomunicazioni su veicoli spaziali, grazie alla loro robustezza e affidabilità. Tuttavia, il lancio di un veicolo spaziale con una parabola solida preinstallata è raramente possibile, a causa dei limiti di volume e di massa, per cui si tende a scegliere un'altra soluzione: l'antenna parabolica pieghevole. Le strutture dispiegabili combinano le caratteristiche di un'antenna parabolica solida con un volume molto ridotto e nel corso degli anni sono stati utilizzati diversi tipi di sistemi.

Il sistema di telecomunicazione DREX (Deployable Reflector EXperiment) è un progetto innovativo sviluppato da un gruppo di ricerca di ingegneria aerospaziale dell'Università di Padova, di cui ha fatto parte Vittorio Netti, oggi Application Engineer di Roboze. Tale progetto ha cercato di superare i limiti dell'attuale tecnologia delle antenne dispiegabili, con un riflettore parabolico che estende la sua superficie attraverso un meccanismo a ombrello ad apertura radiale.

Come funziona il sistema di telecomunicazione DREX?

Il meccanismo è azionato da un unico sistema che muove i bracci, moltiplicando l'area del riflettore di nove volte rispetto alla sua configurazione a riposo; la sequenza di dispiegamento è mostrata di seguito. I bracci di dispiegamento sono collegati a un meccanismo precaricato a molla, vincolato da una piastra/solaio di ritenzione, che regola il corretto dispiegamento dell'intero sistema. Il potenziale di questo nuovo concetto è stato riconosciuto da SNSB/DLR/ESA, che lo ha selezionato per un esperimento di volo nell'ambito del progetto REXUS/BEXUS.

Produzione e test di volo di DREX

Al momento dello sviluppo la stampa 3D non era un'opzione praticabile, perché il team ha avuto difficoltà a trovare un fornitore di materiali con le proprietà meccaniche necessarie per resistere nella stratosfera. Come riportato da Vittorio, si è optato invece per la produzione di quasi tutti i pezzi utilizzando la lavorazione CNC e l'alluminio 7075, una lega estremamente comune nell’industria aerospaziale.

La produzione additiva non era mai stata un'opzione. All'epoca, l'alluminio lavorato non era nemmeno una scelta strategica, solo l'ordine naturale delle cose.

Vittorio Netti

Una grande sfida è stata quella di produrre la piastra di azionamento che innesca la sequenza di dispiegamento, mostrata di seguito. Questo componente doveva essere abbastanza robusto da trattenere le molle precaricate fino a quando l'antenna non avesse raggiunto l'altitudine operativa; doveva, inoltre, essere prodotto con tolleranze rigorose per evitare un dispiegamento prematuro o non coordinato. Allo stesso tempo, la complessità della geometria richiedeva una lavorazione CNC avanzata a 5-7 assi per la produzione monolitica oppure, in alternativa, avrebbe dovuto essere scomposta in più parti e poi assemblata.

Alla fine, il team ha optato per la produzione di più parti e per il loro successivo assemblaggio, per cui la piastra pronta per il volo era composta da 12 pezzi singoli lavorati. Le conseguenze della scelta di attenersi al tradizionale alluminio 7075 e alla lavorazione CNC si sono tradotte in 2000 euro di costi di materiale e di lavorazione, nonché in ritardi di produzione che hanno quasi compromesso l'intero progetto.

Come gruppo di ricerca con tempo e budget limitati, il costo delle materie prime e della lavorazione era un problema importante da affrontare, soprattutto se si considerano i rigidi requisiti di produzione necessari per far funzionare un meccanismo così complesso.

Vittorio Netti

DREX ha volato sul pallone stratosferico BEXUS24, nell'ambito del programma REXUS/BEXUS. Il volo ha avuto luogo dal centro spaziale ESRANGE, in Svezia, il 18 ottobre 2017. Purtroppo, DREX ha avuto un problema durante il test stratosferico che ha causato un guasto nel sistema di attuazione. Dopo il recupero dell'esperimento, l'analisi ha mostrato che una vite aveva graffiato il trattamento di anodizzazione della struttura esterna, causando un cortocircuito che ha danneggiato irreparabilmente l'elettronica di bordo.

Hardware spaziale: la stampa 3D nella progettazione di una piastra attuatrice

La stampa 3D sarebbe stata un'opzione molto più valida per la produzione di questa applicazione per diversi motivi, uno dei quali è la libertà di progettazione.

Con le conoscenze sulla stampa 3D e sui materiali ad alta resistenza di cui dispongo oggi, il progetto meccanico della piastra attuatore sarebbe stato probabilmente molto diverso, per vari motivi, grazie alla maggiore libertà di progettazione consentita da questa tecnologia di produzione.

Vittorio Netti

La tecnologia di stampa 3D permette di realizzare geometrie difficili, se non impossibili, con le tradizionali tecniche sottrattive. A distanza di cinque anni, il team Roboze, insieme a Vittorio, ha immaginato uno dei componenti critici dell'innovativo design di DREX, la piastra attuatrice, cercando di quantificare i vantaggi che l'utilizzo della stampa 3D e dei polimeri ad alta resistenza avrebbe potuto apportare in questo contesto.

Invece di dover produrre 12 parti diverse e poi unirle con delle viti, la piastra dell'attuatore avrebbe potuto essere stampata in un unico pezzo completo, risparmiando tempo e denaro. Le modifiche apportate al progetto durante la fase di sviluppo sarebbero state facili e veloci da implementare in nuovi prototipi, poiché sarebbe bastato un nuovo file CAD per la stampa 3D. Inoltre, si sarebbero potute includere ottimizzazioni progettuali che riducessero la massa e limitassero la complessità meccanica, fornendo un ulteriore livello di sicurezza hardware che avrebbe protetto il modello da situazioni impreviste. In più, in un campo difficile come quello della progettazione di hardware spaziale, il progetto della piastra avrebbe beneficiato della riduzione di massa garantita dall'uso di polimeri al posto dei metalli.

Le stratosferiche proprietà del PEKK Roboze

I palloni aerostatici ad alta quota devono sopravvivere in un ambiente difficile (radiazioni elevate, temperature estreme e attacchi chimici), pertanto è possibile utilizzare solo i materiali più adatti. Uno di questi materiali è il poli-etere chetone chetone (PEKK), che fa parte della famiglia dei termopolimeri ad alte prestazioni PAEK. Si tratta di un termopolimero con eccezionali caratteristiche meccaniche (resistenza alla trazione: 86 MPa, modulo elastico: 3.2 GPa), termiche (temperatura di servizio continuo: 255°C) e chimiche, perfettamente in grado di sopravvivere alle condizioni della stratosfera. Avendo una densità pari alla metà di quella dell'alluminio, i pezzi prodotti con PEKK sono molto più leggeri delle loro controparti metalliche: questo, combinato con la maggiore libertà di progettazione della stampa 3D, potrebbe ridurre la massa delle parti di molto più della metà (tenendo ovviamente sempre in considerazione i carichi e i requisiti meccanici).

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Come è noto, maggiore è la complessità di un pezzo, più lunghi sono i tempi e i costi di produzione. Ciò può creare gravi colli di bottiglia nello sviluppo del progetto, rallentando il processo di prototipazione e riducendo il numero di riprogettazioni effettuate, con il risultato di una soluzione non ottimale. Impiegando una stampante 3D come Roboze Plus PRO in grado di utilizzare materiali ad alte prestazioni come il PEKK, è possibile realizzare prototipi in modo economico e rapido, migliorando il processo di progettazione e portando a parti altamente ottimizzate su misura per applicazioni specifiche. Il PEKK può essere utilizzato anche per produrre parti pronte per il volo, il che significa che l'intero processo di progettazione e produzione finale può essere realizzato internamente senza ricorrere a partner esterni.

Roboze PRO Series è una linea di stampanti 3D professionali in grado di utilizzare materiali avanzati come il PEKK. Il design compatto consente di inserirla facilmente in qualsiasi officina o laboratorio, pur mantenendo le caratteristiche tipiche di Roboze, ovvero la massima precisione e ripetibilità sul mercato.

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