Planetary Resources utiliza patrones de microfusión de impresión 3D para explorar nuevas fronteras en la fabricación aeroespacial

Pequeña nave espacial, pequeña misión

Cuando una empresa se propone hacer algo tan audaz como revolucionar la exploración espacial, es probable que deseche el libro en muchos procesos tradicionales, empezando por el diseño y la fabricación. Los recursos planetarios no se encuentra a la vanguardia del espacio, sino en el cúspide de la propia manufactura. La empresa utiliza tecnologías de sistemas 3D para optimizar piezas y ensamblajes complejos, lo que resulta en piezas de menor peso, iteraciones de diseño más rápidas y ahorros de costes al consolidar ensamblajes en una pieza de fundición.

La misión declarada del recurso planetario es audaz: “establecer un nuevo paradigma para la utilización de los recursos que traerá el sistema solar dentro de la esfera económica de influencia de la humanidad”.

El vehículo de la empresa para la exploración espacial robótica de bajo costo es la serie Arkyd de naves espaciales que identificarán asteroides cercanos a la tierra para la minería de agua y metales preciosos. El primer arte demostrador, el A3R, fue lanzado y colocado con éxito en órbita en 2015. El segundo demostrador, el A6, está programado para el lanzamiento de la primavera de 2016. Las dos naves espaciales de demostración, aproximadamente del tamaño de una caja de cereal, se están utilizando para validar tecnologías centrales, como aviónica, sistemas de control, software y sensores para detectar y caracterizar recursos de asteroides. Están preparando el escenario para la primera producción de producción a gran escala de Planetary Resources, las series Arkyd 100, 200 y 300. Las Arkyd 100, 200 y 300 tienen aproximadamente el doble del tamaño del avión demostrador, con una masa de 11 a 15 kilogramos. (24-33 libras). Son lo suficientemente pequeños para enganchar un viaje en el espacio con cargas útiles primarias más grandes, y luego se envían a la órbita desde una estación espacial cuando las condiciones lo permiten.

Un espacio sin desperdiciado

Los recursos planetarios esperan que la nave espacial Arkyd sea producida en serie, por lo que no hay espacio para nada que sea demasiado pesado o que ocupe demasiado espacio dentro de la arquitectura de la nave espacial. Ahí es donde 3D Systems entra en escena.

“La impresión 3D nos ayuda a integrar piezas separadas en una parte orgánica”, dice Chris Lewicki, presidente y CEO de Planetary Resources. “El objetivo es tener una nave espacial como su teléfono celular, sin desperdicio de espacio”. Un área clave de concentración es el tanque de combustible, que en el pasado ha ocupado un gran porcentaje del volumen de una nave espacial y, a menudo, se parece a un apéndice adherido. hacia el exterior del cuerpo. En contraste, el diseño de Recursos planetarios para Arkyd 200 y 300 utiliza patrones de fundición QuickCast ™ patentados de 3D Systems para hacer que el sistema de propulsión sea un marco estructuralmente integrado para la propia nave espacial. Otras partes, como las geometrías de colector, plenum y enrutamiento, también se integran directamente en los elementos estructurales que soportan la nave espacial.

Modernizar una técnica probada por el tiempo

QuickCast, una metodología que moderniza las técnicas tradicionales de fundición desde hace miles de años, es la solución perfecta para lidiar con la complejidad del diseño.

Con el proceso de 3D Systems, se construye un patrón 3D con una máquina de estereolitografía (SLA). Cuando se completa la construcción, se drena el líquido del patrón. El patrón se recubre luego en una carcasa de cerámica de fundición. Una vez que la cáscara se ha endurecido, se dispara a fuego alto para quemar el patrón. El metal se vierte en la cavidad resultante. Después de enfriar, la cubierta exterior se rompe para revelar la pieza terminada.

Los principales beneficios del proceso QuickCast incluyen:
• Capacidad para diseñar piezas complejas para una mayor funcionalidad.
• Ahorro de tiempo masivo al poder pasar de CAD a patrones en un solo día.
• iteraciones de diseño más rápidas mediante la eliminación de herramientas que requieren mucho tiempo.
• Recuento reducido de piezas a partir de componentes consolidados.
• Acceso a cualquier tipo de aleación, incluyendo metales convencionales certificados en vuelo.

“QuickCast ofrece una capacidad que no es posible con la fabricación tradicional, y también estamos entusiasmados con la promesa de la impresión directa de metales”, dice Chris Voorhees, ingeniero jefe de Planetary Resources. “Con los nuevos productos de sistemas 3D como el sistema ProX® DMP 320, podemos crear aún más detalles y precisión en nuestras piezas de titanio, y esperamos desplegarlos en el espacio en nuestra próxima nave espacial”.

Velocidad y complejidad a bajo costo

El uso de patrones impresos en 3D para fundir metales les da a los diseñadores la libertad de alcanzar un nivel más alto de sofisticación en el diseño, creando formas orgánicas que eliminan sujetadores, abrazaderas, tornillos y otras piezas auxiliares requeridas por piezas y ensamblajes fabricados tradicionalmente.

“Los tanques de propulsión normalmente son una gran fracción del volumen de una nave espacial”, dice Lewicki. “La impresión 3D nos permite explorar diseños más eficientes y orgánicos utilizando materiales como el titanio para obtener una estructura óptima en la que mantener el propelente. El resultado es una nave espacial que es a la vez más liviana, más barata, más segura y mucho más fácil de reproducir en grandes cantidades ”. Un modelo de tamaño natural creado por Sistemas 3D y Recursos Planetarios muestra hasta qué punto la impresión 3D informa a los diseños Arkyd 200 y 300 . El modelo elegante parece engañosamente simplista. El tanque de combustible de titanio con forma de rosquilla, creado con patrones de fundición de una impresora SLA de 3D Systems, sirve como marco externo para toda la nave espacial. Los accesorios, el tendido de cables y otros elementos están integrados en el diseño, lo que reduce el recuento de piezas y agrega resistencia y estabilidad. El orificio en el centro de la rosquilla contiene el sensor láser térmico y los componentes de comunicaciones.

Los primeros diseños de tanques de combustible que utilizan patrones impresos en 3D se presentarán en el Arkyd 100, cuyo lanzamiento está programado para finales de 2016 y principios de 2017. El Arkyd 100 está diseñado para hacer observaciones de la Tierra y localizar asteroides. Le seguirá el Arkyd 200, diseñado para recopilar datos científicos sobre las características físicas de un asteroide; y el Arkyd 300, que contará con un sistema de propulsión más grande para permitir la exploración del espacio profundo.

El futuro de la fabricación aeroespacial

Las impresoras 3D Systems están desempeñando un papel central en todo el espectro de desarrollo de productos para Arkyd, desde diseños de prototipos hasta la fabricación de piezas de producción para naves espaciales reales.

Planetary Resources utiliza SLA para prototipos QuickCast y piezas de producción como el tanque de combustible, una impresora ProJet 7000 SLA para prototipos de plástico y un ProX DMP para impresión directa de metales.

“La impresión 3D nos permite experimentar con conceptos de diseño y producir piezas de producción que funcionan mejor mucho más rápido, sin preocuparnos por los procesos involucrados en la fabricación tradicional”, dice Lewicki.

“Estamos pasando de una fabricación de sustracción a aditiva. La impresión 3D ha alcanzado la mayoría de edad y creemos que representa el futuro de la fabricación aeroespacial “.