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Für Bauteile in der Weltraumtechnik sind ein geringes Gewicht, eine kompakte Bauweise sowie eine zuverlässige Funktion entscheidend. Im Projekt »Additive Manufacturing of Solar Panels for spACE applications (AM-SPACE)« hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP Formgedächtnispolymere für die additive Fertigung von Satellitenkomponenten entwickelt. Daraus entstanden Scharniere für die Entfaltung von Solarpaneelen. Mit rund 1,4 Gramm sind sie etwa 93 Prozent leichter als derzeit genutzte Scharniere.
Am Projekt beteiligt waren neben dem Fraunhofer IAP auch die German Orbital Systems GmbH (GOS), die Orion Additive Manufacturing GmbH sowie das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM. Das Fraunhofer IAP stellt seine Entwicklungen im November auf der Formnext in Frankfurt und der Space Tech Expo Europe in Bremen vor.
Formgedächtnispolymer übernimmt die Bewegung
Im Rahmen des Projektes entwickelte das Fraunhofer IAP Formgedächtnispolymere auf Basis thermoplastischer Polyurethane. Formgedächtnispolymere sind intelligente Materialien, die nach der sogenannten Programmierung eine temporäre Form beibehalten und bei Erwärmung ihre ursprüngliche Form wieder annehmen. Diesen Einweg-Formgedächtniseffekt nutzt das Fraunhofer IAP, um Bewegungsfunktionen direkt in 3D-gedruckte Bauteile zu integrieren. Die Forschenden verarbeiteten die Polymere zu Filamenten für den 3D-Druck und entwickelten Scharniere sowie Hold-Down-and-Release-Mechanismen (HDRMs). HDRMs halten Bauteile während des Starts sicher in Position und geben sie im Orbit gezielt frei. Die Scharniere ermöglichen anschließend das Entfalten der Solarpaneele.
3D-Druck ermöglicht Rapid Prototyping
Das 3D-gedruckte Scharnier wiegt rund 1,4 Gramm. Wird das Formgedächtnispolymer mit Hilfe eines Heizelements erwärmt, verändert es seine Form und bewegt das Scharnier. Beim Erwärmen von 23 Grad Celsius auf 140 Grad Celsius entfaltet sich das Scharnier unter kontrollierten Laborbedingungen innerhalb von 60 Sekunden.
Auch die Fertigung lässt sich schnell umsetzen. Der Druck dauert sowohl für ein Scharnier als auch für einen HDRM etwa 15 Minuten, die anschließende Programmierung rund 30 Minuten. Damit können ein Scharnier und ein HDRM innerhalb einer Stunde gefertigt und programmiert werden.
4D-Druck vereinfacht die Fertigung von thermoresponsiven Bauteilen
Der sogenannte 4D-Druck ermöglicht es, die Bewegungsfunktion bereits während des Druckprozesses direkt in ein Bauteil zu integrieren. Somit konnten 4D-gedruckte HDRMs entwickelt werden, die sich innerhalb von nur 5 Minuten fertigen lassen, ohne dass zusätzliche Programmierschritte notwendig sind. Wie die 3D-gedruckten Varianten geben sie die Solarpaneele nach thermischer Aktivierung gezielt frei.
»Mit AM-SPACE haben wir gezeigt, dass man mit Formgedächtnispolymeren die Konstruktion von Kleinsatelliten neu denken kann: Bauteile werden nicht nur leichter und funktionsintegriert, sondern können bei Bedarf ihre Form gezielt verändern«, sagt Dr. Thorsten Pretsch, Leiter des Forschungsbereichs Funktionale Polymersysteme am Fraunhofer IAP. »Perspektivisch könnten sich Satellitensysteme damit kompakt starten und im Orbit bedarfsgerecht entfalten lassen. Über Scharniere sowie Halte- und Freigabemechanismen hinaus sehen wir Potenzial für weitere aktivierbare Komponenten«, so Pretsch.
Tests unter Laborbedingungen
Die Entwicklung der Scharniere und HDRMs ist vorerst abgeschlossen. Tests unter Reinraumbedingungen sowie Temperaturzyklen und erste Versuche in einer Vakuumkammer verliefen bereits erfolgreich. Eines der am Fraunhofer IAP entwickelten Formgedächtnispolymere hat die Ausgasungsprüfung am Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) in Spanien erfolgreich bestanden. Damit ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in weltraumtechnischen Anwendungen erfüllt. Tests unter realen Weltraumbedingungen stehen noch aus.
Nächster Schritt: Erprobung im Weltraum
Für ein Folgeprojekt laufen derzeit Gespräche. So hat German Orbital Systems als Hersteller von CubeSats, der Satellitenplattformen bereits seit Jahren erfolgreich einsetzt, Interesse bekundet, die Formgedächtnispolymere unter realen Weltraumbedingungen zu testen.
Projekt Additive Manufacturing of Solar Panels for spACE applications (AM-SPACE)
Laufzeit:
Oktober 2023 - September 2026
Förderung:
PROFit Brandenburg und IBB Pro FIT
Die Förderung erfolgte über die Investitionsbank des Landes Brandenburg (ILB), kofinanziert durch die Europäische Union. Die Berliner Projektpartner wurden durch die Investitionsbank Berlin (IBB) gefördert.
Projektpartner:
Orion Additive Manufacturing GmbH, Fraunhofer IZM, German Orbital Systems GmbH
Satellitenmodell mit leichten, schnell herstellbaren Scharnieren und Hold-Down-and-Release-Mechanism ...
Quelle: Jadwiga Galties
Copyright: Fraunhofer IAP
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Chemie
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer
Deutsch
Satellitenmodell mit leichten, schnell herstellbaren Scharnieren und Hold-Down-and-Release-Mechanism ...
Quelle: Jadwiga Galties
Copyright: Fraunhofer IAP
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