ESA und Zortrax führen 4D-Druck für den Weltraum durch

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Der polnische 3D-Druckerhersteller Zortrax hat Barrieren durchbrochen und die Zukunft neu definiert. Nach einem einjährigen Projekt mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zur Förderung der Weltraumforschung hat er die Entwicklung von 4D-Drucktechnologien vorangetrieben.

Durch die Nutzung der Leistung des M300 Dual 3D-Druckers von Zortrax und einer maßgeschneiderten Version von Z-SUITE, ihrer proprietären 3D-Drucksoftware, erstellte das Forschungs- und Entwicklungsteam von Zortrax komplizierte 3D-Strukturen. Diese hochmodernen Designs wurden unter Verwendung von Formgedächtnispolymeren und elektrisch leitfähigen Materialien konstruiert, die als reaktionsfähige Aktuatoren bzw. Heizgeräte fungierten.

Die Zusammenarbeit dieser Materialien führte zu Technologiedemonstratoren, die drei Arten von Bewegungen zeigen konnten: Biegung, Torsion und Entfaltung. Beeindruckend ist, dass jede Bewegung per Knopfdruck aktiviert werden kann. Mit dem erfolgreichen Abschluss dieses ehrgeizigen Projekts steht Zortrax nun an der Schwelle zu fortgeschrittenen Projekten mit erheblichem Finanzierungspotenzial, die darauf vorbereitet sind, die Entwicklung dieser Technologie voranzutreiben und elektrisch aktivierten 4D-Druck in den Bereich von Weltraummissionen zu bringen.

Durch den Einsatz der Dual-Extrusion-3D-Drucktechnologie mit fortschrittlichen Materialien können zuverlässige, leichte Mechanismen hergestellt werden. Darüber hinaus funktionieren diese Mechanismen unabhängig von separaten Aktuatoren, Motoren oder Steuerkreisen, was einen bedeutenden Fortschritt für andere High-Tech-Sektoren wie Luftfahrt, Energieerzeugung und Verteidigung darstellt.

Wenn man in die Welt des 4D-Drucks eintaucht, entdeckt man die faszinierende vierte Dimension: Zeit. Mit der Zeit als zusätzlicher Variable können gedruckte Objekte ihre Geometrie und andere Eigenschaften als Reaktion auf verschiedene Reize wie Temperatur, Feuchtigkeit oder elektrischen Strom anpassen, ähnlich wie eine Origami-Struktur, die sich beim Erhitzen entfaltet.

Das Konzept gewann etwa im Jahr 2013 an Bedeutung, als Skylar Tibbits, Co-Direktorin des Self-Assembly Lab am Massachusetts Institute of Technology (MIT), begann, das Konzept auf verschiedenen Technologiekonferenzen zu diskutieren und zu fördern. Aus diesem Grund wird Tibbits oft zugeschrieben, den Begriff „4D-Druck“ geprägt zu haben.

Laut Michał Siemaszko, Leiter Forschung und Entwicklung bei Zortrax, „weckte der 4D-Druck großes Interesse in der Raumfahrtindustrie, da die Technologie es Ingenieuren und Missionsdesignern theoretisch ermöglichen könnte, das Gewicht einsetzbarer Strukturen wie Antennen, Ausleger usw. zu reduzieren.“ Sensoren. Das Gewicht solcher Strukturen, die traditionell hergestellt werden, ist immer eine Summe aus der Struktur selbst und dem Mechanismus, um sie zu entfalten. Aber wenn es möglich wäre, die Entfaltungsmechanismen vollständig abzuschaffen, könnten sie noch leichter und kleiner gemacht werden.“

Elektrisch aktivierter Entfaltungsdemonstrator, hergestellt mit 4D-Drucktechnologie. Bild mit freundlicher Genehmigung von Zortrax.

Obwohl das Versprechen des 4D-Drucks unbestreitbar ist, bringt er auch einige Hürden mit sich. Beispielsweise erfordert die Technik geeignete „intelligente“ Materialien, die ihre Form oder Eigenschaften im Laufe der Zeit als Reaktion auf bestimmte Reize zuverlässig verändern können. Darüber hinaus stellt die Kontrolle der Umgebung, um diese Veränderungen auszulösen, insbesondere unter den rauen Bedingungen im Weltraum, eine einzigartige Herausforderung dar. Dennoch arbeitete Zortrax dank der ESA-Finanzierung an einem Konzept zur Lösung dieser Probleme.

„Der am häufigsten verwendete Stimulus für die Aktivierung von 4D-gedruckten Mechanismen ist die Temperatur. Bei Weltraumanwendungen kann die Amplitude der Temperaturänderung sehr groß sein, und selbst wenn sie als Auslöser für die Aktivierung von Formänderungen verwendet werden kann, kann dies schwierig sein.“ „In Raumfahrtsystemen ist es also einfacher, den elektrischen Input zu kontrollieren“, sagt Ugo Lafont, Materialphysiker und Chemieingenieur bei der ESA. „Die Idee hinter diesem Projekt bestand darin, die thermisch induzierte Formänderungsfähigkeit zu nutzen, aber eine kontrolliertere Aktivierung durch durch elektrischen Strom erzeugte Wärme zu nutzen. Solche Konzepte werden derzeit evaluiert, da sie das Potenzial haben, die Anzahl der Teile in komplexen Systemen zu verringern und gleichzeitig ihre Funktion beizubehalten.“ Fähigkeit, kontrollierte, bedarfsgesteuerte Bewegungen und Betätigungen bereitzustellen.

Der Weg zur Herstellung 4D-gedruckter Mechanismen dreht sich um drei wichtige Komponenten, erklärte das Team von Zortrax: die richtigen Materialien, leistungsfähige Software und einen kompetenten 3D-Drucker. Zortrax stellte sich der Herausforderung und entwickelte ein maßgeschneidertes Formgedächtnisfilament mit einer beeindruckenden Glasübergangstemperatur von 75 °C, 50 % höher als jedes andere verfügbare Produkt. Nach gründlichen Tests erwies sich dieses Material als ideal für bahnbrechende 4D-Drucksysteme.

Bei der Verfolgung des 4D-Drucks erkannte das Zortrax-Team den Bedarf an elektrisch leitfähigen Filamenten. Bei diesen Filamenten handelt es sich um elektrisch aktivierte Heizelemente, die den Formgedächtniseffekt auslösen. Der Auswahlprozess erwies sich als unkompliziert, da mehrere leicht verfügbare Filamente die erforderlichen Spezifikationen erfüllten. Nach einer umfassenden Testphase, in der sowohl thermische als auch elektrische Eigenschaften bewertet wurden, erwies sich Fiberforce Nylforce Conductive als Filament der Wahl für die Erwärmung des Formgedächtnispolymers in den 4D-gedruckten Mechanismen.

Nach der Materialauswahl konzentrierte sich das Team auf den Druckprozess. Ziel war der Einsatz des Bi-Material-3D-Drucks, einer Methode, die die Herstellung von Teilen aus zwei unterschiedlichen Materialien ermöglicht. Um dies zu erreichen, war die Kombination einer experimentellen Version der Z-SUITE-Software, die ursprünglich für ESA entwickelt wurde, und der Dual-Extrusionsfunktionen des M300 Dual 3D-Druckers erforderlich. Darüber hinaus verfügt dieser Drucker einzigartig über zwei funktionsfähige Druckköpfe, die den Bi-Material-Prozess erleichtern.

Im Rahmen seiner vertraglichen Verpflichtung mit der ESA hat Zortrax außerdem drei einzigartige 4D-Druck-Demonstratoren entworfen. Jedes davon zeigte eine andere Art elektrisch aktivierter Bewegung: Biegung, Torsion und Entfaltung, was die beeindruckende Vielseitigkeit des 4D-Drucks unterstreicht.

Aktivierter Drehbewegungsdemonstrator, hergestellt mit 4D-Drucktechnologie. Bild mit freundlicher Genehmigung von Zortrax.

Zortrax, ein Hauptauftragnehmer der ESA, hat neben seinem bahnbrechenden 4D-Druckprojekt auch an anderen 3D-Druckprojekten mit der Agentur zusammengearbeitet. Beispielsweise hat Zortrax 2018 mit seinem 3D-Drucker M200 eine Satellitenantenne in 3D gedruckt, um die Leistung des Satellitenkommunikationssystems zu testen. Ein Jahr später schlossen sich die beiden zusammen, um eine 3D-Drucktechnologie für die Weltraumforschung zu entwickeln und so Teile für Raumfahrzeuge und Satelliten im Weltraum herzustellen.

Ein weiteres Projekt umfasste Weiterentwicklungen des industriellen 3D-Druckers Endureal für die Hochleistungsproduktion von Verbundwerkstoffen. Kürzlich hat Zortrax sein Hochtemperatur-Z-PEEK-Filament zertifiziert – kompatibel mit dem Zortrax Endureal –, das zu den wenigen Polymeren gehört, die für den Einsatz im Weltraum geeignet sind. Dies bedeutet, dass mit Z-PEEK auf dem Zortrax Endureal 3D-Drucker 3D-gedruckte Teile in Weltraummissionen eingesetzt werden können, sofern auch andere anwendungsspezifische Anforderungen erfüllt sind. Mit diesen innovativen Initiativen festigt Zortrax seine Präsenz im Luft- und Raumfahrtsektor weiter, treibt den Fortschritt voran und setzt neue Branchenstandards.

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