Reducción de costes en la industria espacial gracias a la fabricación aditiva

Fabricación aditiva en el espacio

Reducción de costes en la industria espacial gracias a la fabricación aditiva

Las naves espaciales se desarrollan en la Tierra, se prueban, se ensamblan completamente y se transportan en una sola pieza mediante una lanzadera a sus respectivos lugares de uso. Todos los componentes deben diseñarse para poder soportar las altas cargas de la fase de lanzamiento. Además de tener que superar complejas pruebas, en la mayoría de los casos la estructura de los componentes de las naves espaciales se sobredimensiona para poder soportar el esfuerzo al que se someten durante el lanzamiento, que en órbita es mucho menor. El peso máximo necesario de despegue para el traslado con la lanzadera y el volumen de los satélites, por ejemplo, generan costes elevados de transporte. Al mismo tiempo, el espacio en el cohete es limitado, lo que restringe desde el principio las opciones de diseño de las naves espaciales. Por todo ello se investiga en procesos que permitan ampliar las posibilidades de las futuras misiones espaciales, ahorrar recursos y reducir costes.

Una de las propuestas planteadas es la producción directa en órbita de componentes de naves espaciales mediante la fabricación generativa. Las tecnologías generativas permiten una producción eficiente y ágil de componentes in situ. El equipo AIMIS-FYT de la Universidad de Múnich está desarrollando e investigando un proceso de fabricación aditiva por el que se fabrican estructuras con gravedad cero. Los elementos necesarios para los viajes espaciales no tienen por qué cumplir los requisitos que exige el lanzamiento, sino que pueden adaptarse a las necesidades de la misión. El proceso se está investigando en vuelos parabólicos con gravedad cero y con una cámara industrial uEye CP de IDS.

Para este proceso de fabricación aditiva, también llamado "fabricación in situ" (in situ: 'en el lugar'), el equipo desarrolló una impresora 3D con un extrusor a través del cual se puede dispensar un fotopolímero líquido. "Nuestro sistema de impresión en 3D puede imprimir estructuras tridimensionales directamente en el espacio utilizando un material adhesivo o resina fotopolimerizable con luz UV" explica el responsable de prensa del equipo AIMIS-FYT, Torben Schaefer, refiriéndose a la particularidad de esta tecnología. En lugar de crear los componentes capa a capa, como ocurre con las impresoras 3D convencionales, se generan directamente mediante el movimiento tridimensional del cabezal de impresión.

Impresión 3D satisfactoria de una "varilla diagonal" en gravedad cero [imagen: AIMIS-FYT]
Impresión 3D satisfactoria de una "varilla diagonal" en gravedad cero [imagen: AIMIS-FYT]

La resina se extruye libremente en el espacio con gravedad cero y se polimeriza rápidamente aplicando luz ultravioleta. La producción sin gravedad permite fabricar los componentes sin las restricciones de diseño asociadas a la gravedad en la Tierra. Los voladizos largos son un ejemplo típico de dichas restricciones, dado que su fabricación en la Tierra solo es posible con estructuras de soporte complejas. Con gravedad cero es posible incluso crear componentes sin un punto de anclaje fijo, como una plancha impresora.

Este proceso de producción permite una gran variedad de diseños, como pueden ser las estructuras impresas para paneles solares o antenas. Se pueden fabricar por ejemplo, espejos para antenas parabólicas o estructuras de celosía para montar generadores solares. Esto puede resultar especialmente interesante para los fabricantes y distribuidores de satélites pequeños o muy pequeños, o incluso de constelaciones completas de satélites, dado que les permitiría reducir tanto sus costes unitarios como el coste de lanzamiento para poner en órbita sus sistemas.

Además, el menor peso de la nave espacial montada en órbita ahorra recursos y puede aumentar la vida útil de una misión al poder llevar más combustible a bordo. "Para los satélites, el combustible suele ser un factor limitante; actualmente dura unos 15 años", explica Torben Schaefer.

Aplicación

El proceso más importante de la fabricación es la impresión en sí. Ésta se compone esencialmente de 3 fases principales:

  1. Extrusión de la resina con un extrusor
  2. Salida por la boquilla de la resina con una consistencia espesa y gravedad cero
  3. Polimerización de la resina con LED de luz UV.


Prueba de impresión de varillas rectas, de uniones de varillas y de varillas de forma libre. En ocasiones se utiliza una plancha impresora convencional como punto de partida para la impresión y otras veces se estudia el comportamiento de la impresión de varillas flotantes.

Los parámetros principales del proceso de impresión son la velocidad de extrusión de la resina, la intensidad de la luz UV, la duración de la irradiación UV y la trayectoria, es decir, el recorrido de la impresora. "En nuestro proceso de impresión es importante un bombeo preciso, estable y constante del fluido. Al mismo tiempo, los parámetros deben mantenerse constantes durante todo el proceso", explica Torben Schaefer.

Estructura de celosía finalizada con gravedad cero. Detalle de la cámara IDS [imagen: AIMIS-FYT]
Estructura de celosía finalizada con gravedad cero. Detalle de la cámara IDS [imagen: AIMIS-FYT]

La cámara USB 3 patrocinada por IDS controla todo el proceso: Observa la boquilla de la impresora en primer plano y se mueve siempre en relación con ella. De ese modo, la cámara sigue la boquilla con cada movimiento y la tiene siempre enfocada. La sección de la imagen se ajusta de forma que se pueda registrar la formación de las varillas unos 4,5 cm por debajo de la boquilla. "La cámara IDS proporciona resultados muy importantes para la salida de la resina y su polimerización. Los LED de luz UV necesarios para el fraguado generan una fuerte sobreexposición y con ello unas condiciones lumínicas desfavorables. Esto no supone ningún problema para la U3-3260CP de la gama IDS: su económico sensor IMX249 (1920 x 1200 px) de 2,30 MP de Sony le permite marcar nuevas pautas en lo que a sensibilidad lumínica y rango dinámico se refiere. Así, este sensor CMOS global shutter, cuyos píxeles tienen un tamaño de 5,86 µm, está predestinado para aplicaciones como ésta, en las que debe arrojar un resultado perfecto incluso en presencia de una iluminación desfavorable como es el brillo excesivo provocado por la sobreexposición.

Para poder seguir analizando el comportamiento de salida de la boquilla con gravedad cero, el proceso se realiza a una velocidad reducida. El contorno de la varilla debe registrarse con precisión. "La alta frecuencia de imagen y la resolución de la cámara son cruciales para una evaluación de alta calidad", explica Torben Schaefer, del equipo de AIMIS. Con una frecuencia de imagen de 47,0 fps, la cámara IDS garantiza una calidad de imagen extraordinaria y un nivel de ruido extremadamente bajo, lo que le permiten cumplir a la perfección con su misión en el espacio. Pero el equipo de investigación también quedó impresionado por la facilidad de integración de la cámara.

Software

Gracias al IDS SDK, pudimos integrar la cámara sin problemas en nuestro sistema de monitorización basado en C++.

— Torben Schäfer, el responsable de prensa del equipo AIMIS-FYT —

Según él, es aquí donde convergen todos los datos de los sensores y proporcionan una visión global del estado actual de la impresora y de los parámetros de impresión específicos. "De ese modo, con un solo clic podemos iniciar y parar la captura de la cámara IDS y el resto de mediciones. Dado que en un vuelo parabólico sólo hay veinte segundos de ingravidez y entre dos parábolas existe una interrupción de un minuto y medio aproximadamente, sólo guardamos la información más importante iniciando y parando selectivamente la medición de valores o las capturas". Además, en el monitor se muestra una imagen en directo del proceso de impresión con la ayuda del software de IDS. "Esta transmisión en directo nos facilita la configuración y el análisis rápido del cabezal de impresión".

En el vuelo parabólico del programa FYT de la ESA, existe gravedad cero durante 20 segundos [imágenes de AIMIS-FYT]
En el vuelo parabólico del programa FYT de la ESA, existe gravedad cero durante 20 segundos [imágenes de AIMIS-FYT]

Perspectiva

Los resultados de los experimentos se utilizarán para seguir optimizando el proceso de las cuatro operaciones básicas de impresión 3D (varilla recta, varilla recta con puntos de inicio/parada, varilla de forma libre y uniones entre varillas) y para demostrar la funcionalidad principal de la fabricación aditiva con gravedad cero. El objetivo es probar esta tecnología en el espacio, dado que ofrece la posibilidad de reducir drásticamente el coste de los componentes de la tecnología espacial. Con el proyecto AIMIS-FYT tenemos la posibilidad de participar activamente en el diseño del futuro de la tecnología espacial", dice Michael Kringer, Director de proyecto del equipo AIMIS-FYT.

La potente cámara IDS ha sido recomendada para futuras misiones tanto en la Tierra como en el espacio.

USB3 uEye+ CP: grandes dosis de potencia concentrada

AIMIS-FYT