La Agencia Espacial Europea respalda un proyecto de engranajes sin fricción impresos en 3D

Aug 13, 2023

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El Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM) ha colaborado con los especialistas en impresión 3D de metal 3D Precision and Space y la PYME naval Almatech SA para diseñar, imprimir en 3D y probar un mecanismo de reducción de rotación compatible (CRRM).

El CRRM, un dispositivo todo en uno impreso en 3D en acero inoxidable de alto rendimiento, es un "mecanismo compatible" con engranajes sin fricción.

El sistema de engranajes está diseñado para permitir la rotación precisa de componentes aeroespaciales como propulsores, sensores y lentes o espejos telescópicos, sin necesidad de lubricación. Para lograr esto, el CRRM emplea flexión o "deformación elástica" e incorpora 24 hojas flexibles, 16 de las cuales están entrelazadas.

El proyecto, llamado “COMAM”, comenzó en 2018 y fue financiado por el Programa General de Tecnología de Apoyo (GSTP) de la Agencia Espacial Europea (ESA). Diseñado por CSEM, el CRRM fue impreso en 3D por 3D Precision, mientras que las pruebas de rendimiento fueron realizadas por Almatech SA.

"Las piezas deformables y rígidas se construyen juntas como una única estructura monolítica, evitando cualquier montaje y alineación que requiera mucho tiempo", explicó el director técnico de la ESA, Paolo Zaltron. "Sus formas inusuales traspasaron los límites de las tecnologías de fabricación aditiva y son el resultado de técnicas de optimización avanzadas que conducen a una alta flexibilidad y una masa reducida sin precedentes".

Impresión 3D de un engranaje sin fricción

En aplicaciones espaciales, el uso de lubricación puede provocar una contaminación no deseada de sistemas delicados e inducir desgaste que puede reducir la vida operativa general del componente. Por ello, los mecanismos sin fricción, que no requieren lubricación, resultan especialmente atractivos.

Si bien los mecanismos compatibles son bien conocidos en aplicaciones espaciales y a menudo se emplean donde se requiere movimiento sin fricción, su diseño y producción son un desafío. Esto se debe a que estos mecanismos poseen una arquitectura compleja y están compuestos por varias piezas precisas que, tradicionalmente, se mecanizan, verifican, alinean y fijan entre sí.

La fabricación aditiva ofrece importantes ventajas en la producción de estos mecanismos, incluida la libertad de diseño y la posibilidad de producir formas monolíticas complejas sin requisitos de montaje. De hecho, se afirma que la integración del CRRM de 24 láminas de flexión para formar pivotes cruzados y ocho etapas intermedias no sería posible en un volumen tan pequeño sin el uso de fabricación aditiva. Además, gracias a los beneficios de la impresión 3D, no es necesario alinear las estructuras de flexión para garantizar una cinemática adecuada.

Para diseñar el mecanismo, el equipo combinó optimizaciones paramétricas y topológicas. Se dice que esta combinación mejoró significativamente la masa y las frecuencias propias de la pieza, proporcionando un primer modo propio de más de 550 Hz. En última instancia, el CRRM permite una reducción del movimiento giratorio con un factor de 10, especialmente útil para mecanismos de escaneo, apuntamiento, calibración o espejo giratorio.

Aunque los resultados generales de este proyecto se consideran "muy alentadores", los resultados de las pruebas de rendimiento y vida útil se vieron afectados por la distorsión de los dos modelos de tabla ancha fabricados y probados.

Los resultados completos del proceso de prueba y más información sobre el desarrollo y producción del CRRM están disponibles a través del CEAS Space Journal.

Componentes aeroespaciales de impresión 3D

El uso de la fabricación aditiva para la producción de componentes aeroespaciales no es nada nuevo. A principios de este año se anunció que el especialista australiano en transferencia de calor Conflux Technology se había asociado con el fabricante de cohetes espaciales con sede en Alemania Rocket Factory Augsburg (RFA) para integrar su tecnología de intercambiador de calor Conflux impreso en 3D en un cohete orbital.

Los intercambiadores de calor se producen utilizando el material de aleación de metal Monel K 500 de Conflux Technology y se imprimen en 3D utilizando la tecnología de sinterización directa por láser de metal (DMLS) M300-4 de EOS. Desarrollado como parte de la Iniciativa Luna a Marte de la Agencia Espacial Australiana, el intercambiador de calor de conductos de gas será desarrollado, fabricado y sometido a pruebas funcionales a finales de año.

De manera similar, recientemente se anunció que la Sociedad Aeroespacial del Estado de Portland (PSAS) había aprovechado la tecnología de impresión 3D para lanzar con éxito OreSat0, un sistema CubeSat, a la órbita terrestre baja. Los subsistemas críticos del satélite impreso en 3D se produjeron utilizando el material compuesto Windform LX 3.0 de CRP Technology. Se utilizaron impresoras 3D de modelado por deposición fundida (FDM) de bajo costo para la creación de prototipos antes de que el equipo pasara a la sinterización selectiva por láser (SLS) con Windform LX 3.0 para imprimir en 3D las piezas finales.

OreSat0.5 se lanzará en octubre de 2023, mientras que OreSat1 se desplegará desde la Estación Espacial Internacional (ISS) a principios de 2024.

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Alex es periodista tecnológico en 3D Printing Industry y disfruta investigando y escribiendo artículos que cubren una amplia variedad de temas. Con una licenciatura en historia militar y una maestría en Historia de la Guerra, tiene un gran interés en las aplicaciones de fabricación aditiva dentro de las industrias aeroespacial y de defensa.