Een revolutie in de vluchthardware:3D-geprinte ruimtevaartcomponenten in een baan om de aarde

Additive Manufacturing in de ruimtevaart in een baan om de aarde:een 3D-geprinte satelliet ontwerpen voor vluchten

Decennia lang werd de lucht- en ruimtevaartproductie gekenmerkt door aluminium, titanium en lange doorlooptijden. Structurele componenten werden machinaal bewerkt, vastgemaakt, geïnspecteerd en geassembleerd via processen waarbij zekerheid belangrijker was dan snelheid. 

Dus wat gebeurt er als Additive Manufacturing niet alleen maar prototypen van hardware is, maar in een baan om de aarde vliegt? 

Dat is precies wat er gebeurde toen voormalig NASA-wetenschapper Tony Boschi en het team van Sidus Space LizzieSat gingen bouwen, een gedeeltelijk 3D-geprinte satelliet ontworpen om te lanceren aan boord van de Transporter-9-missie van SpaceX. 

Wat ze gaandeweg hebben bewezen, is iets waar elke technisch leider op moet letten: 

Additive manufacturing in de lucht- en ruimtevaart is niet langer experimenteel. Het is operationeel.

Tony Boschi van Sidus Space legt uit hoe continu 3D-printen met koolstofvezel en Markforged-materialen de ontwikkeling mogelijk maakten van LizzieSat, een gedeeltelijk 3D-geprinte satelliet ontworpen voor missies in meerdere sectoren.

De technische beperking:100 kilogram, niet meer

LizzieSat is ontworpen met een strikte massalimiet:de hele satelliet mag minder dan 100 kilogram wegen. 

Voor lucht- en ruimtevaartingenieurs definieert dat getal onmiddellijk het probleem. 

Batterijen verbruiken massa. Vluchtcomputers verbruiken massa. Payload-systemen verbruiken massa. Energiesystemen verbruiken massa. 

Structuur is vaak de plek waar de mogelijkheden voor gewichtsvermindering blijven bestaan, maar structuur moet ook overleven: 

• 5G-lancering wordt geladen
• Blootstelling aan zonnestraling
• Thermische schommelingen die de 200°C naderen
• Meerjarige levensduur in de baan 

Tijdens de lancering vermenigvuldigt de zwaartekracht zich. Een interne component van vijf pond weegt effectief 25 pond bij 5G. Een structuur van 100 pond ervaart een kracht van 500 pond. Dat belastinggeval alleen al elimineert veel materialen die buiten beschouwing blijven. 

Het Sidus-team was niet van plan een ruimtevaartuig voor één doel te bouwen. Ze hadden een flexibel satellietbusplatform voor ogen dat meerdere klanten, industrieën en missietypes kon ondersteunen. In plaats van tientallen gespecialiseerde satellieten te lanceren, kon LizzieSat zich aanpassen aan uiteenlopende ladingen. 

Die flexibiliteit vereiste een structureel systeem dat lichtgewicht, sterk, snel herhaald en nauwkeurig vervaardigd was. Traditionele bewerking zou ze daar niet snel genoeg krijgen.

Waarom Additive Manufacturing in de lucht- en ruimtevaart de vergelijking veranderde

Bij conventionele aluminiumproductie introduceren ontwerpwijzigingen wrijving. Technische revisies moeten worden vrijgegeven. Onderdelen moeten opnieuw worden bewerkt. Mogelijk moet de montage opnieuw worden uitgevoerd. Doorlooptijden strekken zich uit. 

Boschi had een ander doel:ontwerpen met de snelheid van innovatie. 

Met behulp van de Markforged X7 begon Sidus structurele componenten te produceren die waren versterkt met continue koolstofvezel. Dit was geen cosmetische prototyping – het was structurele hardware. 

Continue koolstofvezelversterking biedt een sterkte die vergelijkbaar is met die van aluminium, terwijl het gewicht aanzienlijk wordt verminderd. Belangrijker nog is dat de geometrie niet langer wordt beperkt door subtractieve productie. 

Als een ontwerp veranderde, duurde het geen weken om het te implementeren. 

Het duurde een dag. 

Boschi beschrijft het verschil duidelijk:als er iets verandert, kan het team een nieuw structureel onderdeel opnieuw afdrukken en onmiddellijk integreren. Voor een satellietprogramma dat op agressieve commerciële tijdlijnen werkt, is die snelheid geen gemak, maar een concurrentievoordeel. 

Dit is de ontsluiting die additieve productie in de lucht- en ruimtevaart biedt:iteratie zonder boete.

De ruimtekwalificatievraag

Ingenieurs die additieve productie evalueren, stellen onvermijdelijk dezelfde vraag: 

Kan het de ruimte overleven? 

Sidus beantwoordde die vraag met gegevens, niet met aannames. Het team ontving een subsidie ​​om een ​​testvluchtplatform te ontwikkelen, een experimentele structuur die naar het internationale ruimtestation zou worden gestuurd. Ze maakten snel een prototype van monsterhouders met behulp van Markforged Onyx en integreerden deze in het experiment. 

Het oorspronkelijke plan vereiste ongeveer 15 weken blootstelling in een baan om de aarde. In plaats daarvan bleven de onderdelen een heel jaar buiten het ISS. 

In de ruimte worden materialen geconfronteerd met meedogenloze stress. Directe zonnestraling breekt polymeren af. Temperatuurcycli duwen materialen door extreme uitzetting en krimp. Vacuümomstandigheden leggen zwakke punten bloot. 

Toen de monsters terugkeerden naar de aarde, vertoonden sommige materialen zichtbare degradatie. 

De Onyx-onderdelen niet. 

Volgens Boschi was er geen meetbaar verschil tussen de onderdelen die een jaar in de ruimte hadden doorgebracht en de onderdelen die pas op de machine waren gedrukt. Geen structureel compromis. Geen oppervlakteafbraak. Geen onverwacht materiaalgedrag. 

Voor additieve productie in de lucht- en ruimtevaart is dit soort real-world validatie belangrijker dan welke datasheet dan ook; het toonde aan dat goed ontworpen samengestelde 3D-geprinte onderdelen in een baan om de aarde konden overleven. 

Die validatie strekt zich nu uit tot buiten de testplatforms. Met drie LizzieSats die sinds 2024 met succes zijn gelanceerd en operationeel in een baan om de aarde zijn, zijn additieve structurele componenten overgegaan van experimentele blootstellingsproeven naar satellietarchitectuur die zich in de vlucht heeft bewezen.

Precisie die een nieuw structureel ontwerp mogelijk maakt

Een van de meest over het hoofd geziene bijdragers aan de massa van satellieten is hardware, met name bevestigingsmiddelen. 

Het team van Boschi begon een simpele vraag te stellen:wat als we de schroeven volledig konden verwijderen? 

Met behulp van additieve ontwerpvrijheid hebben ze precisie-in elkaar grijpende bevestigingskenmerken rechtstreeks in structurele componenten ontworpen. Onderdelen glijden op hun plaats en vergrendelen met toleranties binnen tienduizendsten van een inch, minder dan de dikte van een vel papier gedeeld door drie. 

Deze geometrieën zouden uiterst moeilijk, zo niet onmogelijk, conventioneel te bewerken zijn. Maar met continu fiber 3D-printen van industriële 3D-printers zijn ze herhaalbaar en betrouwbaar. 

Door onnodige hardware te elimineren en bevestigingsfuncties in de constructie zelf te integreren, verminderde het team de massa terwijl de structurele integriteit onder lanceringsbelastingen behouden bleef. 

Dit is geen stapsgewijze verbetering, maar een structurele heroverweging die mogelijk wordt gemaakt door additieve productie.

Voldoen aan materiaalvereisten voor de lucht- en ruimtevaart:brandvertraging en traceerbaarheid

Kracht alleen is niet genoeg in de lucht- en ruimtevaart. Traceerbaarheid van materialen en compliance zijn essentieel, vooral voor defensie-, overheids- en commerciële ruimtevaartprogramma's.

Sidus stapte over op het printen van structurele componenten met behulp van Onyx FR, een brandvertragend materiaal, en Onyx FR-A, wat volledige traceerbaarheid van het materiaal toevoegt. De aanduiding “A” maakt het mogelijk om op batchniveau terug te gaan naar de oorsprong van de productie – een vereiste voor veel kwaliteitssystemen in de lucht- en ruimtevaart. 

Als er zich een scheur- of schuifgebeurtenis voordoet, kunnen ingenieurs de materiaalafstamming traceren, de hoofdoorzaak analyseren en corrigerende maatregelen implementeren. Dat niveau van verantwoordelijkheid brengt additieve productie in lijn met de verwachtingen van ruimtevaartkwaliteit. 

Voor technische managers die verantwoordelijk zijn voor compliance en certificering is dit vaak de ontbrekende schakel bij de adoptie van additive manufacturing voor structurele toepassingen. 

Markforged dicht dat gat.

Een 3D-geprinte satelliet als platform, geen prototype

LizzieSat is ontworpen voor een missieleven van vijf jaar. Die lange levensduur weerspiegelt niet alleen het vertrouwen in de elektronica van de satelliet, maar ook in de structurele integriteit ervan. 

De bredere betekenis is niet alleen dat dit een 3D-geprinte satelliet is. 

Het is dankzij de additieve productie in de lucht- en ruimtevaart dat de creatie van een modulair platform mogelijk is geworden dat meerdere industrieën en klanten kan bedienen. In plaats van voor elke missie een ruimtevaartuig op maat te bouwen, creëerde Sidus een flexibele architectuur. 

Dat soort schaalbaarheid is van cruciaal belang in de snel evoluerende markt voor commerciële ruimtevaart. 

En het werd gebouwd, getest, gelanceerd en gevalideerd met behulp van samengesteld 3D-printen met industriële 3D-printers.

Wat dit betekent voor technische leiders

Veel technische teams beschouwen additive manufacturing nog steeds als een hulpmiddel voor het maken van prototypen. Iets voor mallen, armaturen of conceptmodellen. 

LizzieSat demonstreert iets heel anders. 

3D-printen in de ruimtevaart kan: 

• Structurele massa verminderen
• Geometrieën inschakelen die onmogelijk te bewerken zijn
• Elimineren van hardware door geïntegreerde bevestiging
• Versnel ontwerp-iteratiecycli
• Voldoe aan de brand- en traceerbaarheidsvereisten
• Overleef een jaar lang blootstelling aan de ruimte 

Voor technische managers die geavanceerde productieteams leiden, is het niet langer de vraag of additieven werken in de lucht- en ruimtevaart. 

Het gaat erom of uw concurrenten het al gebruiken om sneller te gaan. 

Als u evalueert hoe additief in uw lucht- en ruimtevaartplan past, ontdek dan hoe Markforged missiekritieke toepassingen in de luchtvaart, ruimtevaart en defensie ondersteunt.

Alle blogs en de informatie in deze blogs vallen onder het auteursrecht van Markforged, Inc. en mogen op geen enkele manier worden gekopieerd, gewijzigd of overgenomen zonder onze schriftelijke toestemming. Onze blogs kunnen onze dienstmerken of handelsmerken bevatten, evenals die van onze gelieerde ondernemingen. Uw gebruik van onze blogs vormt geen enkel recht of licentie voor u om onze dienstmerken of handelsmerken te gebruiken zonder onze voorafgaande toestemming. Markforged Informatie in onze blogs mag niet als professioneel advies worden beschouwd. We zijn niet verplicht om blogs bij te werken of te herzien op basis van nieuwe informatie, daaropvolgende gebeurtenissen of anderszins.

Mis nooit meer een artikel

Abonneer u om nieuwe Markforged-inhoud in uw inbox te ontvangen