L’Agenzia spaziale europea sostiene il progetto di ingranaggi senza attrito stampati in 3D

Aug 13, 2023

Sono ora aperte le candidature per i 3D Printing Industry Awards 2023. Chi sono i leader nella stampa 3D? Scoprilo il 30 novembre, quando i vincitori delle venti categorie verranno annunciati durante una cerimonia di premiazione dal vivo a Londra.

Il Centro svizzero per l’elettronica e la microtecnologia (CSEM) ha collaborato con gli specialisti della stampa 3D in metallo 3D Precision and Space e la PMI navale Almatech SA per progettare, stampare in 3D e testare un meccanismo di riduzione della rotazione conforme (CRRM).

Stampato in 3D all-in-one in acciaio inossidabile ad alte prestazioni, il CRRM è un "meccanismo conforme" ad ingranaggi senza attrito.

Il sistema di ingranaggi è progettato per consentire la rotazione precisa di componenti aerospaziali come propulsori, sensori e lenti o specchi di telescopi, senza necessità di lubrificazione. Per raggiungere questo obiettivo, il CRRM utilizza la flessione, o “deformazione elastica”, e incorpora 24 lame pieghevoli, 16 delle quali sono ad incastro.

Il progetto, chiamato “COMAM”, è iniziato nel 2018 ed è stato finanziato dal Programma di tecnologia di supporto generale (GSTP) dell’Agenzia spaziale europea (ESA). Progettato da CSEM, il CRRM è stato stampato in 3D da 3D Precision, mentre i test prestazionali sono stati effettuati da Almatech SA.

"Le parti deformabili e rigide sono costruite insieme come un'unica struttura monolitica, evitando qualsiasi assemblaggio e allineamento che richiede tempo", ha spiegato il responsabile tecnico dell'ESA Paolo Zaltron. “Le loro forme insolite hanno ampliato i confini delle tecnologie di produzione additiva e sono il risultato di tecniche di ottimizzazione avanzate che portano a un’elevata flessibilità e a una massa ridotta senza precedenti”.

Stampa 3D di un ingranaggio senza attrito

Nelle applicazioni spaziali, l'uso della lubrificazione può portare alla contaminazione indesiderata di sistemi delicati e induce usura che può ridurre la vita operativa complessiva del componente. Pertanto, i meccanismi senza attrito, che non richiedono alcuna lubrificazione, sono particolarmente attraenti.

Sebbene i meccanismi cedevoli siano ben noti nelle applicazioni spaziali, spesso impiegati dove è richiesto un movimento ad attrito zero, la loro progettazione e produzione è impegnativa. Questo perché questi meccanismi possiedono un'architettura complessa e sono composti da varie parti precise che, tradizionalmente, vengono lavorate, verificate, allineate e fissate insieme.

La produzione additiva offre vantaggi significativi nella produzione di questi meccanismi, tra cui la libertà di progettazione e la possibilità di produrre forme monolitiche complesse senza alcun requisito di assemblaggio. Si sostiene infatti che l'integrazione da parte del CRRM di 24 lame di flessione per formare perni incrociati e otto fasi intermedie non sarebbe possibile in un volume così piccolo senza l'uso della produzione additiva. Inoltre, grazie ai vantaggi della stampa 3D, non è necessario alcun allineamento tra le strutture di flessione per garantire una cinematica adeguata.

Per progettare il meccanismo, il team ha combinato ottimizzazioni parametriche e topologiche. Si dice che questa combinazione abbia migliorato significativamente la massa e le frequenze proprie della parte, fornendo un primo modo proprio di oltre 550 Hz. In definitiva, il CRRM consente una riduzione del movimento rotatorio con un fattore 10, particolarmente utile per i meccanismi di scansione, puntamento, calibrazione o ribaltamento dello specchio.

Sebbene i risultati complessivi di questo progetto siano considerati "molto incoraggianti", i risultati dei test sulle prestazioni e sulla durata hanno risentito della distorsione dei due modelli di broadboard prodotti e testati.

I risultati completi del processo di test e ulteriori informazioni riguardanti lo sviluppo e la produzione del CRRM sono disponibili tramite il CEAS Space Journal.

Stampa 3D di componenti aerospaziali

L’utilizzo della produzione additiva per la produzione di componenti aerospaziali non è una novità. All’inizio di quest’anno è stato annunciato che lo specialista australiano nel trasferimento di calore Conflux Technology aveva collaborato con il produttore di razzi spaziali tedesco Rocket Factory Augsburg (RFA) per incorporare la sua tecnologia di scambiatori di calore Conflux stampata in 3D in un razzo orbitale.