On aika jakaa HighPEEK-projektin viimeisimpiä kuulumisia. Koska jokainen avaruuteen lähetetty gramma maksaa sievoisen summan, pienelläkin viilauksella pystytään säästämään oikeaa rahaa. Tällä hetkellä hankkeen kuumin peruna on korvata mahdollisimman monia satelliittien ja muiden laitteistojen metalliosia muovisilla. Kaikissa tutkittavissa osissa on pyritty vähintään 50% painonsäästöön sekä toimitusaikojen lyhentämiseen. Haasteena on vain se, että osille asetettavat vaatimukset eivät painon putoamisesta huolimatta helpotu lainkaan. Tämän vuoksi todellisiin sovelluksiin ollaankin kelpuuttamassa lähinnä ns. ultramuoveja.

Ehkä ensiksi on paikallaan selittää, mitä ultramuoveilla tarkoitetaan. Se on löyhä nimitys, millä tarkoitetaan eräitä osittain kiteisiä kestomuovien ryhmään kuuluvia polymeerejä. Ultramuovit eroavat laajemmin käytetyistä ns. peruspolymeereistä (commodity polymers) siten, että niiden mekaaniset ja termiset ominaisuudet sekä erinäisten kemikaalien kesto ovat huomattavasti korkeammat. Niiden kääntöpuolena tosin ovat korkea hinta sekä hankala tulostettavuus FDM-menetelmällä. Tyypillisimpiä ultramuoveja ovat mm. PEEK eli polyeetteri-eetteriketoni, PEI eli polyeetteri-imidi sekä PPSU eli polyfenyylisulfoni.

Sekalainen sakki osia

Hankkeen uusimpia selvityskohteita on ollut yleisluontoisten hunajakennorakenteisten paneelien kiinnityskorvakkeet (Kuva 1.) Näitä paneeleja käytetään yleisesti laitteiden rungon peiteosina. Ne on aiemmin kiinnitetty yksinkertaisilla alumiinisilla ns. kulmaraudoilla. Tähän mennessä ultramuoveista tehdyillä kannakkeilla on saavutettu jopa 59% painon säästö alumiiniosiin verrattuna. Kiinnikkeen viimeisin revisio on myös itsessään kennorakenteinen (ns. gyroid infill) ja tulostettu juuri kehitellystä hiilikuituseosteisesta CF-PEEK materiaalista (Kuva 2.)

Kuva 1. Hunajakennolevyjen kiinnikkeet. Alkuperäinen alumiininen kiinnike ylhäällä vasemmalla, muovisten kiinnikkeiden viimeisimmät versiot oikealla.

Kuva 2. Levykiinnikkeen viimeisin CF-PEEK muovista tulostettu versio.

Kahdessa muussa laitteistoprojektissa joissa on tutkittu muoviosien soveltuvuutta, Maker3D on ollut mukana vain epäsuorasti osien tulostajana. IRES-C eli InfraRed Earth Sensor-Coarse (Kuva 3) on sähkömagneettiseen säteilyyn perustuva alhaisen tarkkuuden optinen maa-anturi, jota satelliitit käyttävät asentonsa korjaamiseen maan kiertoradalla. Ko. sensorin alhaisesta tarkkuudesta johtuen IRES-C:tä käytetään monesti vara-anturina tarkemmille tähtipaikantimille. Alkuperäisen anturin kotelo oli metallia. (ARTES, 2020)  Projektin testitulosteet tehtiin PLA-muovista, sillä kokeellisten osien tarkoitus oli tutkia 3d-tulostetun osan laatua ja tekniikan soveltuvuutta kotelointien tekoon.

Kuva 3. IRES-C maa-anturin PLA-muovista tulostettu kotelo.

Toinen vastaavanlainen hanke missä Maker3D on tulostanut osia, oli ESA:n Biomass-tehtävässä (ESA, 2020a) käytetyn satelliitin Onboard-tietokoneen (OBC) kotelointi (Kuva 4). Kotelointia tulostettaessa huomattiin nopeasti että se on järkevintä tulostaa useammassa osassa, sillä todelliseen osaan käytettävä PEEK-materiaali on hankala tulostaa ja osien muotoilua sekä niiden asentoa tulostusalustalla joudutaan optimoimaan. Lisäksi seinistä saadaan FDM-tekniikalla tulostettaessa paljon kestävämpiä mikäli ne tulostetaan lappeellaan.

Kuva 4. Biomass Earth Explorer-satelliitin tietokonekotelon osia. Ensimmäinen tulostettu versio tehtiin kahdessa osassa, mutta viimeisimmässä versiossa osia oli jo 6.

Aiempien prototyyppien sijasta oikeita ultramuoveja päästiin käyttämään ESA:n Copernicus-satelliittiohjelmasta otetun tehorelekotelon kanssa. Molemmat kaukokartoitussatelliitit Sentinel-1 ja -2 (ESA, 2020b) ovat olleet tätä juttua kirjoitettaessa kiertoradalla jo vuodesta 2016, alkuperäiset koteloinnit tehtiin alumiinista (Kuva 5.)

Tähän asti ko. kotelosta on projektin puitteissa tulostettu versiot PLA- ja ABS-muoveista sekä yhdestä ultrapolymeerilaadusta PEKK-A (eli muunneltu polyeetteriketoni-ketoni). Eri materiaalien lisäksi on kokeiltu myös osan rakenteellista keventämistä tekemällä lujuuden kannalta ei-kriittiset kohdat verkkorakenteisina (Kuva 5.)

Kuva 5. Sentinel-1 satelliitin tehorelekotelo, alhaalla renderöitynä ja oikealla PEKK-A muovista tulostettuna.

Mutta myös muoviosien pitää kestää… Paljon!

Yhteinen ja kriittinen kysymys kaikkien näiden “grammanviilaus-osien” kanssa on se, että kestävätkö ne avaruuden ankaraa ympäristöä. Mekaaniset rasitukset ovat huipussaan heti kättelyssä painovoimakaivon pohjalta lähdettäessä, tällöin rääkkinä on jopa 6 G pitkittäis- ja 4 G sivuttaiskiihtyvyys sekä jatkuvaluonteista tärinäkuormaa ja ajoittaisia iskukuormia. Osien mekaaninen lujuus on siis hyvin tärkeä, tätä testataan perinteisin veto- ja taivutuskokein sekä ns. tärinäpöydillä.

Kiertoradalle pääsyn jälkeen alkavat toisenlaiset haasteet, jotka liittyvät elektromagneettiseen säteilyyn. Kuten kaikki orgaanisperäiset materiaalit, myös polymeerit ovat eri tavoin herkkiä UV-spektrin säteilylle, puhumattakaan muista aallonpituuksista. Tämän vuoksi eräs olennainen testi on UV-rasituskoe jossa käytetään kaikkia UV-alueita (A, B & C). 

Eräs kiertorataympäristöön liittyvä ominaisuus on materiaalin stabiiliuteen liittyvä kaasujenpäästötesti, jossa tarkastellaan tyhjiön vaikutusta materiaaliin. Tyhjiöstabiilin materiaalin ei tulisi sisältää kaasukuplia kiinteän aineen seassa eikä muodostaa kaasua kemiallisen tms. hajoamisen seurauksena, sillä kaasuilla voi olla turmiollinen vaikutus elektroniikkaan ja erityisesti optisten laitteiden linsseihin. 

Joten uusien materiaalien kehitys jatkuu

Mekaanisten ominaisuuksien lisäksi osille pitäisi pystyä muodostamaan sähkönjohtavuuskyky joko täyteaineilla tai metallipinnoituksella. Erilaisiin täyteaineisiin erikoistunut kumppani Carbodeon Oy on tutkinut tähän mennessä materiaalien mekaanisten ominaisuuksien parantamista nanotimanttiseostuksella. Tärinänkeston parantamiseksi kappaleen joustavuutta on pyritty lisäämään kasvattamalla murtovenymää ja pienentämällä kimmomodulia. Seuraavana askeleena vuoden 2021 alussa tulee olemaan sähköä johtavan seosaineen kehittäminen PEKK- ja PEEK-ultramuoveille.

Myös piirilevyjä voidaan tulostaa…

Kuva 6. Tulostettu piirilevymalli, jonka sisäosa pinnoitetaan.

Metallipinnoituksella luodun sähkönjohtavuuden toimivuutta eri materiaalien kanssa on testattu tulostamalla muovisia “piirilevyjä” (Kuva 6), joiden sisäosan “johtimet” on tämän jälkeen kasvatettu pinnoittamalla. Ytimen materiaalina pyrittiin käyttämään nanotimanttiseosteista PLA-muovia ja ulkokuorena PVDF:ää taikka lasikuituseosteista polypropyleeniä. Materiaalien tarttuvuus toisiinsa ja tulostusalustaan oli monin paikoin heikkoa ja muitakin materiaaleja kokeiltiin. Paras yhdistelmä saatiin kuitenkin aikaiseksi yllä mainituilla materiaaleilla.

Kuva 7. Piirilevyaihiot pinnoituksen jälkeen. Ylempänä Nd-PLA/PVDF yhdistelmä ja alempana Nd-PLA ja PP-GF30.

Pinnoituksessa käytetyllä ALD-tekniikalla saatiin aikaiseksi minimissään 10 Ohmin resistanssi kappaleen johdinpinnoilla, lisäksi kuparia saatiin kiinnittymään myös levyn läpivienteihin vaikkei pintoja saatukaan tällä tavalla sähköisesti yhdistettyä (Kuva 7.) Prosessin yhteydessä havaittiin myös eroja materiaalien huokoisuudessa, lasikuituseosteinen polypropyleeni osoittautui pintamateriaaleista tiiviimmäksi. Tällä on vaikutusta tyhjiöolosuhteiden outgassing-arvoihin.

Projekti jatkuu

Vuonna 2021 Maker3D:n rooli projektissa on vastata koetulosteiden tuotannosta ja tarjota asiantuntemusta 3D-tulostusteknikoiden ja 3D-suunnittelun osalla, edistäen 3D-tulostukseen optimoitua suunnittelua ja avustaen haastavien materiaalien onnistuneessa tulostamisessa. Seuraavana askeleena tulee olemaan uusien nanotimantti-seosmateriaalien sekä sähkönjohtavuudeltaan paranneltujen materiaalien tulostettavuuden selvittäminen. 

Lue edellinen ”HighPEEK” – projektiartikkeli vol.3

Terveisin,


Aleksis Lehtonen
Support & Service- Maker3D