Braccio robotico stampato in 3D per l'assemblaggio ottico con massima precisione

Il braccio di presa – lo strumento centrale per l'allineamento ad alta precisione dei componenti spaziali – è composto da una parte statica e una parte mobile. © Fraunhofer ILT, Aachen. / The gripper arm – the central tool for the high-precision alignment of space components – consists of a static and a moving part. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany.

Rappresentazione artistica dello strumento MERLIN basata sulla piattaforma satellitare Myriade. © CNES/illustrazione David DUCROS, 2016. / Un'illustrazione artistica dello strumento MERLIN basata sulla piattaforma satellitare Myriade. © CNES/illustrazione David DUCROS, 2016.

Al Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ad Aquis, da alcuni anni vengono sviluppati e montati sistemi laser per l'uso nello spazio. Contemporaneamente, i ricercatori e le ricercatrici di Aquis studiano anche tecnologie per la stampa 3D metallica. Con il metodo Laser Powder Bed Fusion (LPBF) è stato sviluppato e realizzato per la prima volta un nuovo braccio di presa di precisione in metallo in collaborazione con la cattedra di Produzione Additiva Digitale DAP – un'innovazione per il montaggio di componenti spaziali in ambiente sterile! Il braccio di presa è più leggero rispetto al suo predecessore eppure abbastanza stabile da poter montare e regolare con estrema precisione ottiche laser più pesanti.

Sistemi laser per l'uso nello spazio

Test di vibrazione e camera climatica – queste sono le fasi tipiche nella qualificazione di un sistema laser per l'uso nello spazio. Nonostante le elevate sollecitazioni, i sistemi devono rimanere regolati micrometricamente per poter operare in sicurezza nello spazio.

Negli ultimi anni, presso l'ILT di Fraunhofer ad Aquis, è stata sviluppata e migliorata continuamente la tecnologia di montaggio per tali sistemi laser. Gli esperti e le esperte dell'ILT collaborano con partner come DLR, Airbus Defence and Space, TESAT Spacecom e l'ESA per costruire sistemi ottici complessi. Per la realizzazione di questi sistemi ottici vengono impiegate tecnologie all'avanguardia: tutte le fasi di regolazione essenziali vengono eseguite con robot guidati manualmente tramite il metodo Pick & Align. Uno strumento centrale è il braccio di presa. Esso si trova su un esapode e posiziona i componenti con precisione micrometrica nell'assemblaggio ottico. Qui vengono regolati con precisione di pochi microrad e fissati tramite saldatura. La struttura del braccio di presa è fondamentale per la precisione del montaggio e determina anche il peso massimo delle componenti ottiche.

Con design bionico e metodi additivi per aumentare la portata

Per migliorare ulteriormente le prestazioni della tecnologia di assemblaggio, l'ILT di Fraunhofer ha sviluppato un nuovo completo braccio di presa. Dopo la sua progettazione, i colleghi e le colleghe della cattedra di Produzione Additiva Digitale DAP dell'Università RWTH di Aquis hanno anche progettato le strutture bioniche in modo che, con un peso proprio ridotto, potesse aumentare la capacità di carico utile. Alla fine, il braccio di presa ottimizzato topologicamente è stato prodotto tramite Laser Powder Bed Fusion (LPBF) anche presso la cattedra DAP. Grazie a una lavorazione posteriore speciale, il braccio di presa raggiunge la classe di ambiente sterile ISO5. È un'innovazione assoluta – finora, residui di polvere sui componenti impedivano l'uso di metodi additivi in strumenti di precisione in ambienti sterili. Il nuovo braccio di presa è diviso in due parti: una statica e una mobile. Le linee di alimentazione per i fluidi necessari sono integrate nel braccio di presa per minimizzare la contaminazione.

Per le missioni del futuro

Questo strumento di precisione muove parti molto più pesanti rispetto allo strumento finora utilizzato, consentendo allo stesso tempo una regolazione più stabile. «Con questa tecnologia stiamo percorrendo una strada nuova per noi. Non si progetta prima e si verifica poi se il componente ha le caratteristiche desiderate, ma si ottimizza la geometria del componente per gli scenari di sollecitazione», spiega Michael Janßen, che da anni progetta i ganci di presa per l'assemblaggio presso l'ILT di Fraunhofer.

Il nuovo gancio di presa viene utilizzato nell'ambito di FULAS – una piattaforma tecnologica universale che gli Aquis hanno sviluppato per la realizzazione di sistemi laser nei progetti aerospaziali. «Abbiamo portato nel processo di produzione del nuovo gancio di presa le esperienze di tutta lo sviluppo di FULAS», riassume il responsabile di progetto Heinrich Faidel dell'ILT di Fraunhofer. Un sistema basato su FULAS è attualmente in fase di sviluppo per la missione climatica franco-tedesca MERLIN (Methane Remote Sensing Lidar Mission). Il microsatellite MERLIN sarà lanciato da Kourou, in Guyana francese, per mappare la distribuzione del metano nell'atmosfera terrestre. La componente principale del satellite è un laser LIDAR, che invia impulsi di luce nell'atmosfera e determina la concentrazione di metano analizzando la luce riflessa.»