Polimeri a memoria di forma a base di poliuretani termoplastici per componenti leggeri di satelliti
La stampa 4D semplifica la produzione di componenti termosensibili
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La struttura leggera, il design compatto e le prestazioni funzionali affidabili sono requisiti fondamentali per i componenti utilizzati nelle applicazioni spaziali. Nell’ambito del progetto “Additive Manufacturing of Solar Panels for spACE applications (AM-SPACE)”, l’Istituto Fraunhofer per la Ricerca Applicata sui Polimeri (IAP) ha sviluppato polimeri a memoria di forma (SMP) progettati specificamente per la produzione additiva di componenti satellitari. Utilizzando questi materiali, i ricercatori hanno realizzato cerniere leggere e ad attivazione termica per l’apertura dei pannelli solari dei satelliti. Con un peso di circa 1,4 grammi ciascuna, le cerniere sono circa il 93% più leggere rispetto a quelle convenzionali attualmente in uso. Il progetto è stato realizzato in collaborazione con German Orbital Systems GmbH (GOS), Orion Additive Manufacturing GmbH e l’Istituto Fraunhofer per l’affidabilità e la microintegrazione IZM. Il Fraunhofer IAP presenterà questi sviluppi alla Formnext di Francoforte e alla Space Tech Expo Europe di Brema nel novembre 2026.
Il polimero a memoria di forma facilita l’apertura controllata
I polimeri a memoria di forma (SMP) sono materiali intelligenti che mantengono una forma temporanea programmata e recuperano la loro forma originale quando vengono riscaldati. Il Fraunhofer IAP utilizza questo effetto di memoria di forma unidirezionale per consentire un movimento controllato nei componenti stampati in 3D, riducendo la necessità di sistemi di azionamento meccanici convenzionali. I ricercatori hanno trasformato i polimeri sviluppati in filamenti adatti alla produzione additiva e hanno realizzato cerniere funzionali e meccanismi di fissaggio e rilascio (HDRM). Durante il lancio, gli HDRM trattengono saldamente i componenti del satellite per poi rilasciarli in modo controllato una volta in orbita. Dopo il rilascio, le cerniere a base di SMP consentono ai pannelli solari di dispiegarsi grazie al recupero della forma attivato termicamente.
La stampa 3D consente la prototipazione rapida
La cerniera stampata in 3D pesa circa 1,4 grammi. Quando viene attivata termicamente tramite un elemento riscaldante, l’SMP subisce una deformazione programmata, provocando l’apertura della cerniera. In condizioni di laboratorio controllate, la cerniera completa la sua apertura entro 60 secondi quando viene riscaldata da 23 °C a 140 °C. Il processo di produzione additiva consente inoltre la produzione rapida di questi componenti funzionali. La stampa di una cerniera o di un HDRM richiede circa 15 minuti, seguiti da ulteriori 30 minuti per programmare la forma temporanea desiderata. Di conseguenza, ciascuno di questi componenti può essere prodotto e programmato in meno di un’ora, mettendo in evidenza il potenziale per la prototipazione rapida e l’adattamento flessibile del design.
La stampa 4D semplifica la produzione di componenti termoresponsivi
Nell’approccio di stampa 4D qui utilizzato, la risposta di cambiamento di forma viene programmata direttamente nel componente durante la fabbricazione, anziché in una fase separata di post-elaborazione. Questo approccio ha consentito lo sviluppo di HDRM stampati in 4D che possono essere realizzati in soli cinque minuti. Come le loro controparti stampate in 3D, questi meccanismi consentono il rilascio controllato di componenti satellitari trattenuti in seguito all’attivazione termica. «Con AM-SPACE abbiamo dimostrato come i polimeri a memoria di forma possano aprire la strada a nuovi approcci nella progettazione di piccoli satelliti. Questi componenti combinano una struttura leggera con funzionalità integrate e la capacità di subire cambiamenti di forma controllati una volta attivati», afferma il dott. Thorsten Pretsch, responsabile della divisione di ricerca sui sistemi polimerici funzionali presso il Fraunhofer IAP. «In futuro, ciò potrebbe consentire il lancio di sistemi satellitari in una configurazione compatta e il loro dispiegamento in base alle necessità una volta in orbita. Oltre alle cerniere e ai meccanismi di fissaggio e rilascio, intravediamo un potenziale per ulteriori componenti attivabili», aggiunge Pretsch.
Convalida iniziale in condizioni di laboratorio
Le attività di validazione iniziale per le cerniere e gli HDRM basati su SMP, compresi i test in camera bianca, i cicli termici e gli esperimenti preliminari in camera a vuoto, sono state completate con successo. Inoltre, uno degli SMP sviluppati presso il Fraunhofer IAP ha superato con successo i test di degassamento condotti presso l’Istituto Nazionale di Tecnologia Aerospaziale (INTA) in Spagna, a conferma della sua idoneità per potenziali applicazioni spaziali. Tuttavia, le prestazioni e l’affidabilità a lungo termine dei componenti in condizioni spaziali reali devono ancora essere dimostrate.
Prossimo passo: verso la validazione in orbita
Sono attualmente in corso discussioni su un potenziale progetto di follow-up per far progredire la tecnologia verso una dimostrazione in orbita. German Orbital Systems, un produttore esperto di CubeSat con una comprovata esperienza nello sviluppo e nel lancio di satelliti, ha espresso interesse a valutare i componenti basati su SMP in condizioni spaziali reali.
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