Druk 3D w branży kosmicznej coraz silniej wpływa na ciągły rozwój technologii addytywnych, a eksperci szacują krajowy rynek „space” na 15 miliardów złotych. Dzięki wstąpieniu Polski do Europejskiej Agencji Kosmicznej w 2012 roku znacząco zwiększyła się liczba podmiotów prowadzących działalność w sektorze kosmicznym, które koncentrują się na wykorzystaniu satelitów w celach rynkowych (urządzenia GPS, mapy w telefonach komórkowych etc.).
Jednym z najważniejszych produktów branży kosmicznej są rakiety umożliwiające umieszczanie satelitów na orbicie. Innymi urządzeniami są łaziki, dzięki którym możemy zbierać cenne dane na temat planet i planetoid. Bardzo istotny staje się obecnie rynek małych satelitów. W tym obszarze Polska ma szansę znaleźć swoją niszę, bowiem światowy rynek nanosatelitów, czyli urządzeń o masie do 10 kg, nie został jeszcze opanowany i zaledwie kilkanaście przedsiębiorstw produkuje łaziki, dzięki którym możemy zbierać dane na temat kosmosu.
Ośrodki badawcze i naukowe
Ważną rolę w rozwoju polskiej branży kosmicznej stanowią ośrodki naukowe i badawcze, których studenci oraz absolwenci uczestniczą w międzynarodowych zawodach projektów kosmicznych. Największe sukcesy w Polsce na tym polu odnosi zespół AGH Space Systems, który kilkukrotnie został nagradzany w najbardziej prestiżowych konkursach np. Spaceport America Cup, CanSat Competition, Global Space Balloon Challenge czy European Rover Challenge. Członkowie zespołu, który działa od 2014 r., specjalizują się w rozwijaniu technologii przemysłu kosmicznego, a w szczególności w budowie rakiet, satelitów, sond kosmicznych czy łazików marsjańskich.
Łazik Kalman stworzony przez AGH Space Systems uczestniczy w zawodach URC
Do ich konstruowania wybierają coraz częściej druk 3D, który umożliwia szybkie wytwarzanie fizycznych modeli produktów lub ich części składowych, a także prototypów. Pozwala to m.in. uzyskać kształty niedostępne w innych technologiach, zmniejszyć wagę produktów oraz zwiększyć ich wytrzymałość.
Optymalizacja komponentów
Wiele wynalazków, które kilka dekad temu dostępne były wyłącznie w środowisku astronautów trafiło do życia codziennego. Zespól AGH Space Systems wraz z HP3D.pl mógł wykorzystać technologię Multi Jet Fusion 3D do budowy i optymalizacji biorącego udział w rywalizacjach, łazika Kalmana i odnosić dzięki temu spektakularne sukcesy na międzynarodowych zawodach.
Chwytak
Głównym celem projektu zespołu AGH Space Systems przy optymalizacji łazika było zmniejszenie wagi oraz ilości komponentów chwytaka. Pierwotny projekt składał się z ponad 55 niezależnych komponentów. Wykorzystanie technologii MJF do wytworzenia korpusu chwytaka pozwoliło na redukcję ilości komponentów do 40, zmniejszenie masy o 320g oraz zwiększenie kompaktowości rozwiązania. Konwencjonalne techniki obróbki tak skomplikowanej części według członków zespołu AGH Space Systems okazałoby się zbyt kosztowne, dlatego wybrano druk 3D.
Oprócz korpusu, wydrukowane zostały również kołnierz nakrętki śruby prowadzącej oraz drobne elementy zabezpieczające. Podjęta została próba wtopienia mosiężnych wkładek gwintowanych stosowanych w tworzywach termoplastycznych. Niewłaściwa temperatura bądź nieodpowiednie przygotowanie otworu pod wkładkę nie pozwoliło na trwały i pewny montaż w otworach, tak jak to było stosowane w wydrukach z typowych tworzyw używanych w technologii FDM. Przy dokręcaniu śruby wkładki luzowały się i wypadały. Gwintowane wkładki wkręcane, z gwintem zewnętrznym zgodnie z oczekiwaniami dobrze trzymały się wydruków w przygotowanych otworach. Duży gwint M24 został dobrze odwzorowany, co pozwoliło na wkręcenie adaptera od wężyka chłodziwa.
Chwytak podczas testów funkcjonalnych sprawował się doskonale. Kołnierz nakrętki wytrzymał zdecydowanie większe obciążenia niż odpowiedniki wykonane w technologii FDM, zachowując mniejsze wymiary. Zastosowanie odpowiedniej tolerancji pomiędzy elementami współpracującymi pozwoliło na swobodny ruch komponentów.
Elementy konstrukcyjne łazika drukowane w technologii Multi Jet Fusion dzięki HP3D.pl.
Manipulator
W technologii MJF zostały wydrukowane również uchwyt siłownika, poruszający czwartym członem manipulatora oraz uchwyty wałków siłowników. Celem konstruktorów było zastąpienie przekładni ślimakowej siłownikiem liniowym oraz wymiana ciężkich stalowych wałków na lżejsze, aluminiowe.
Uchwyt mocujący wymagał skomplikowanej geometrii, w celu zapewnienia odpowiedniej sztywności oraz wytrzymałości dla koniecznej pozycji mocowania siłownika. Dodatkowo, w celu pochwycenia rurki osadzającej siłownik wykorzystane zostało połączenie tarciowe poprzez ściśnięcie rurki. Zastosowany sposób ściśnięcia dobrze się sprawdził, pozwalając zachować zamkniętą strukturę części. Rurka trzymana jest z wystarczającą siłą, a dokręcanie śruby w przedstawiony sposób nie uszkodziło powierzchni druku. Ze względu na duże siły oraz znaczną długość wałka, aluminiowe tulejki musiały zostać odpowiednio pochwycone i umocowane, by zapobiec zbytnim odkształceniom. Zastosowane zatem zostały obejmy tulejek wraz z pokrywami zabezpieczającymi przez wysunięciem.
Przeprowadzone testy potwierdziły wytrzymałość elementów ponad przyjęte założenia obciążenia manipulatora. Zastosowane tolerancje pozwoliły na dobre spasowanie elementów.
Drążek zawieszenia
Zespół AGH Space Systems zaobserwował również, że druk proszkowy MJF dobrze poddaje się klejeniu żywicą, co sprawdzono łącząc drążek zawieszenia z drążkiem z włókna węglowego. Duża dokładność tej technologii pozwoliła łatwo przewidzieć dobranie odpowiednich wymiarów elementu, które miały pozwolić na łatwe klejenie. Podczas testów nie stwierdzono żadnych wad druku i drążek różnicujący z sukcesem przetrwał zawody.
Elementy mocujące Satele
Technologia MJF od HP została wykorzystana również do wytworzenia elementu pozwalającego na zamontowanie radiomodemów do masztu. Uzyskano odpowiednią sztywność, która pozwoliła na pewne przymocowanie wytworzonej w ten sposób części – poprzez ściśnięcie jej śrubami wokół rurki węglowej (masztu). Technologia MJF pozwala zatem na wydrukowanie przedmiotu o skomplikowanym kształcie, który zachowuje sztywność i wytrzymałość przy jednoczesnej redukcji masy. HP3D.pl zwraca uwagę, że element ten został wytworzony z materiału HP HR PA12 CB, który nie zawiera włókna szklanego i rekomenduje do tego typu wydruków jeszcze bardziej wytrzymały materiał (perełki szklane) HP 3D High Reusability PA 12.
Elementy mocujące Satele
Zawody European Rover Challenge
Już po raz piąty konstruktorzy z całego świata stanęli do rywalizacji w międzynarodowych zawodach robotów marsjańskich ERC. Spośród 28 zespołów z 13 krajów świata, które przyjechały do Kielc, drużyna AGH Space Systems zajęła 2 miejsce. Wydarzenie zostało objęte patronatem honorowym Komisji Europejskiej, Europejskiej Agencji Kosmicznej, Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Ministerstwa Spraw Zagranicznych, Polskiej Agencji Kosmicznej oraz Związku Pracodawców Sektora Kosmicznego. Podczas zawodów oprócz pobierania próbek gleby łazik planetarny Kalman zaprojektowany przez AGH Space Systems, wyręczał astronautę obsługując panel wypełniony przełącznikami i pokrętłami. To zadanie wymagało idealnej precyzji manipulatora i zgrania operatorów. Potem przyszła pora na lokalizowanie i dostarczanie specjalnych przesyłek ukrytych wśród kamieni. Na sam koniec w konkurencji autonomicznej nawigacji Kalman musiał pokonać trudny teren samodzielnie.
Łazik Kalman podczas zawodów ERC
Maksymalne odchudzenie modelu łazika i zastosowanie tak wytrzymałego materiału jak HP HR PA12 CB pozwoliło zespołowi AGH na zajęcie wysokiej 2 lokaty na prestiżowych zawodach European Rover Challenge.
Polski kosmos przeżywa obecnie stan rozkwitu. Przy zwiększeniu nakładów, zarówno z sektora publicznego jak i prywatnego, ma szansę na dołączenie do światowej czołówki, dlatego tak ważne jest to co robią zarówno ośrodki naukowe takie jak AGH Space Systems jak i HP3D.pl, który wpiera przedsiębiorców w implementacji nowych technologii w ich biznesie.