Formgedächtnispolymer übernimmt die Bewegung

Im Rahmen des Projektes entwickelte das Fraunhofer IAP Formgedächtnispolymere auf Basis thermoplastischer Polyurethane. Formgedächtnispolymere sind intelligente Materialien, die nach der sogenannten Programmierung eine temporäre Form beibehalten und bei Erwärmung ihre ursprüngliche Form wieder annehmen. Diesen Einweg-Formgedächtniseffekt nutzt das Fraunhofer IAP, um Bewegungsfunktionen direkt in 3D-gedruckte Bauteile zu integrieren. Die Forschenden verarbeiteten die Polymere zu Filamenten für den 3D-Druck und entwickelten Scharniere sowie Hold-Down-and-Release-Mechanismen (HDRMs). HDRMs halten Bauteile während des Starts sicher in Position und geben sie im Orbit gezielt frei. Die Scharniere ermöglichen anschließend das Entfalten der Solarpaneele.
 

3D-Druck ermöglicht Rapid Prototyping

Das 3D-gedruckte Scharnier wiegt rund 1,4 Gramm. Wird das Formgedächtnispolymer mit Hilfe eines Heizelements erwärmt, verändert es seine Form und bewegt das Scharnier. Beim Erwärmen von 23 Grad Celsius auf 140 Grad Celsius entfaltet sich das Scharnier unter kontrollierten Laborbedingungen innerhalb von 60 Sekunden.
Auch die Fertigung lässt sich schnell umsetzen. Der Druck dauert sowohl für ein Scharnier als auch für einen HDRM etwa 15 Minuten, die anschließende Programmierung rund 30 Minuten. Damit können ein Scharnier und ein HDRM innerhalb einer Stunde gefertigt und programmiert werden.
 

4D-Druck vereinfacht die Fertigung von thermoresponsiven Bauteilen

Der sogenannte 4D-Druck ermöglicht es, die Bewegungsfunktion bereits während des Druckprozesses direkt in ein Bauteil zu integrieren. Somit konnten 4D-gedruckte HDRMs entwickelt werden, die sich innerhalb von nur 5 Minuten fertigen lassen, ohne dass zusätzliche Programmierschritte notwendig sind. Wie die 3D-gedruckten Varianten geben sie die Solarpaneele nach thermischer Aktivierung gezielt frei.
»Mit AM-SPACE haben wir gezeigt, dass man mit Formgedächtnispolymeren die Konstruktion von Kleinsatelliten neu denken kann: Bauteile werden nicht nur leichter und funktionsintegriert, sondern können bei Bedarf ihre Form gezielt verändern«, sagt Dr. Thorsten Pretsch, Leiter des Forschungsbereichs Funktionale Polymersysteme am Fraunhofer IAP. »Perspektivisch könnten sich Satellitensysteme damit kompakt starten und im Orbit bedarfsgerecht entfalten lassen. Über Scharniere sowie Halte- und Freigabemechanismen hinaus sehen wir Potenzial für weitere aktivierbare Komponenten«, so Pretsch.
 

Tests unter Laborbedingungen

Die Entwicklung der Scharniere und HDRMs ist vorerst abgeschlossen. Tests unter Reinraumbedingungen sowie Temperaturzyklen und erste Versuche in einer Vakuumkammer verliefen bereits erfolgreich. Eines der am Fraunhofer IAP entwickelten Formgedächtnispolymere hat die Ausgasungsprüfung am Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) in Spanien erfolgreich bestanden. Damit ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in weltraumtechnischen Anwendungen erfüllt. Tests unter realen Weltraumbedingungen stehen noch aus.
 

Nächster Schritt: Erprobung im Weltraum

Für ein Folgeprojekt laufen derzeit Gespräche. So hat German Orbital Systems als Hersteller von CubeSats, der Satellitenplattformen bereits seit Jahren erfolgreich einsetzt, Interesse bekundet, die Formgedächtnispolymere unter realen Weltraumbedingungen zu testen.
 

 

Projekt Additive Manufacturing of Solar Panels for spACE applications (AM-SPACE)

Laufzeit:
Oktober 2023 - September 2026

Förderung:
PROFit Brandenburg und IBB Pro FIT

Die Förderung erfolgte über die Investitionsbank des Landes Brandenburg (ILB), kofinanziert durch die Europäische Union. Die Berliner Projektpartner wurden durch die Investitionsbank Berlin (IBB) gefördert.
 

Projektpartner:

Orion Additive Manufacturing GmbH

• Entwicklung eines 3D-Druckers zur Verarbeitung von Polyetheretherketon (PEEK) mit Endloscarbonfaserverstärkung
• Verarbeitung eines kommerziell verfügbaren, für die Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) geeigneten PEEK-Materials im 3D-Druck
• Additive Fertigung von Solarpaneel-Substraten für einen 1U-CubeSat unter Einsatz von Endloscarbonfasern und LDS-fähigem PEEK

Fraunhofer IZM

• Laserstrukturierung und Metallisierung der LDS-PEEK-Solarpaneel-Substrate zur Herstellung elektrischer Leiterbahnen
• Umsetzung dreidimensionaler Leiterplattenstrukturen auf den Substraten und Bestückung mit elektronischen Bauteilen
• Zuverlässigkeitsprüfung und Charakterisierung des Gesamtsystems, unter anderem durch Vibrationsprüfungen, Thermoschocktests, Thermal Online-Test zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften und Topografiemessungen

German Orbital Systems GmbH

• Entwicklung des Leiterplattendesigns für die dreidimensionalen LDS-PEEK-Substrate
• Entwicklung der Elektronik für die LDS-PEEK-Solarpaneele sowie der Heizelemente zur Aktivierung der Scharniere und HDRMs
• Integration der von den Projektpartnern entwickelten Komponenten in das Satellitensystem
• Erprobung und Funktionsprüfung des Gesamtsystems