Stampa 3D con Windform XT 2.0 per i nano-satelliti 1P PocketQube

Windform XT 2.0 e stampa 3D professionale permettono la costruzione di nano-satelliti 1P PocketQube qualificati per lo spazio.

CRP USA, l’azienda statunitense partner dell’italiana CRP Technology, ha costruito tre modelli di pico-satelliti per la società Mini-Cubes. Si tratta della fase 1 di un ampio progetto volto alla realizzazione di un intero sciame di nano-stelliti in stampa 3D professionale per il monitoraggio delle risorse idriche della terra. Per la prima volta interi prototipi funzionali di 1P PocketQube pronti per l’impiego nello spazio sono stati realizzati utilizzando un materiale composito rinforzato fibra di carbonio – il Windform XT 2.0 – e il processo di sinterizzazione laser selettiva. L’azienda Mini-Cubes è stata fondata nel 2008 da Joseph Latrell per rendere i PocketQube – tipologia di nano-satelliti molto piccoli con una dimensione di circa 5 centimetri cubo e con una massa che non supera i 250 grammi – una valida e praticabile alternativa ai CubeSat, i cui lanci in orbita stanno diventando sempre più costosi.

Il progetto

Di recente Joe Latrell e il suo team hanno avviato un progetto di ingegnerizzazione di un nuovo 1P PocketQube pronto per l’impiego nello spazio, chiamato Discovery 1a. Per la costruzione di questo pico-satellite, Latrell si è rivolto a CRP USA affinché l’intera struttura e alcuni componenti venissero realizzati in additive manufacturing (o produzione additiva). CRP USA, consociata statunitense di CRP Technology, nel corso dell’ultimo quindicennio ha sviluppato una notevole esperienza nel campo, fornendo ai key-leader del settore aerospaziale soluzioni all’avanguardia utilizzando il processo di sinterizzazione laser e i materiali compositi Windform^® TOP-LINE, creati da CRP Technology. Lo scopo del progetto di Latrell è arrivare a costruire in additive manufacturing un’intera costellazione (o sciame) di satelliti PocketQube per il monitoraggio delle risorse idriche della terra. “Da tempo – spiega lo stesso Latrell – sono un accanito fan della stampa 3D professionale, che ho avuto occasione di sperimentare diversi anni fa quando lavoravo per un’azienda impegnata nel settore aerospaziale: all’epoca feci costruire in stampa 3D le alette di un razzo.” “Quando abbiamo iniziato a lavorare all’ingegnerizzazione del Discovery, sapevo che volevo “superare ogni confine”, dal fattore di forma di un satellite così piccolo come il PocketQube, fino alla tecnologia per realizzarlo.” “Per questo motivo – continua Latrell – ho deciso di coinvolgere CRP USA e il loro direttore operativo, Stewart Davis, come partner tecnologici: sapevo che grazie alla loro competenza ed esperienza nel settore, avrebbero svolto un ottimo lavoro supportandoci passo dopo passo e creando un satellite funzionante al 100%.”

La sfida

Data una struttura così piccola, la sfida maggiore era riuscire ad adattare l’elettronica, la videocamera e il sistema radio all’interno del pico-satellite. Joe Latrell continua: “Il Discovery 1a appartiene alla famiglia dei PocketQube, che sono pico-satelliti dalle dimensioni ridotte con un volume interno di 50 mm x 50 mm x 50 mm. Dato questo ordine di grandezze, il nostro satellite rappresenta il meglio che, ad oggi, può essere costruito e realizzato per il telerilevamento delle risorse della terra.” Il compito non era facile: le parti del pico-satellite Discovery da realizzare in Windform sarebbero risultate fondamentali per la riuscita dell’intero progetto. Come chiarisce Joe Latrell: “Per la prima volta un intero pico-satellite era in procinto di essere costruito in un materiale composito caricato carbonio. Le prestazioni sono tutto: la rottura di un singolo, minuscolo componente si sarebbe tradotta nel guasto dell’intero satellite. La struttura in Windform doveva assolutamente garantire l’alloggiamento e la salvaguardia di tutta la componentistica.” Grazie all’esperienza maturata come partner tecnologici delle principali aziende leader dei settori industriali più avanzati, CRP USA ha accettato la sfida e l’ha vinta. “Il progetto che Latrell ci ha sottoposto, ovvero costruire una struttura performante con uno spazio ridotto per l’assemblaggio di  molti componenti, era unico nel suo genere”, commenta Stewart Davies, direttore operativo di CRP USA, che così continua: “La nostra expertise ha consentito al progetto di avanzare, ma non solo: adattare le nostre capacità a nuove e sempre più complesse applicazioni – continua Davies – è senza dubbio l’elemento chiave che ci permette di progredire ed essere un punto di riferimento per i servizi di stampa 3D professionale negli Stati Uniti. Tutto questo però non sarebbe possibile senza il sostegno e la collaborazione di CRP Technology, l’azienda che ha creato i materiali Windform^® e che ha dato nuovo impulso e forza all’additive manufacturing.” Per la costruzione del Discovery 1a, Joe Latrell e lo staff di CRP USA hanno deciso di utilizzare il materiale composito rinforzato fibra di carbonio Windform XT 2.0. Come specifica Latrell, “fin dall’inizio sapevamo che ci saremmo affidati alla stampa 3D per produrre il Discovery, ma non avevamo la stessa sicurezza sul materiale da utilizzare, perché pensavamo che sarebbe stato difficile trovare un materiale in grado di sopportare le rigide e difficili condizioni ambientali dello spazio. In realtà la scelta si è rivelata più semplice del previsto dopo aver esaminato le caratteristiche del Windform XT 2.0: la combinazione fra resistenza e facilità d’impiego ci ha subito convinti.” Windform XT 2.0 è un materiale di nuova generazione che sostituisce la formula precedente del Windform XT nella famiglia dei materiali compositi Windform TOP-LINE.  Windform XT 2.0 presenta miglioramenti nelle proprietà meccaniche di assoluto rilievo, tra cui +8% sul carico di rottura, +22% sul modulo elastico e +46% sull’allungamento alla rottura.

Il risultato

CRP USA ha realizzato per Mini-Cubes tre prototipi funzionali di 1P PocketQube: due per i test e uno per il volo in orbita. Il processo di sinterizzazione laser unito al materiale composito caricato fibra di carbonio Windform XT 2.0, si è rivelato la scelta migliore: tutti e tre i 1P PocketQube hanno superato con successo i test e hanno pienamente soddisfatto gli standard di Mini-Cubes. Joe Latrell specifica: “Abbiamo eseguito diversi test, e ne faremo altri. Finora abbiamo testato il carico a +20 kg. Windform XT 2.0 è stato sottoposto a test di vibrazione secondo le specifiche NASA GEVS-7000, al test di termovuoto per simulare le condizioni nell’orbita terrestre ed è stato testato termicamente da + 50° C a -40° C. Windform XT 2.0 ha superato tutti i test che abbiamo eseguito.” Latrell continua: “Il nostro prossimo passo sarà testare il satellite realizzato in Windform in orbita. Il piano è di lanciarlo nel secondo trimestre del 2021. Sarà la validazione finale per il nostro processo di ingegnerizzazione.”