Diseño y experiencia en fabricación aditiva de 3D Systems para servir al subsistema de satélites espaciales de Thales Alenia

3D Systems colabora con Thales Alenia Space en el campo del diseño para la fabricación aditiva (DfAM) para mejorar el rendimiento de un subsistema crítico en su satélite Spacebus NEO. El mecanismo del propulsor eléctrico (ETHM) resultante se compone de siete soportes diferentes fabricados de forma aditiva. La fabricación aditiva (AM) permitió empaquetar el mecanismo en un volumen limitado con la menor masa posible. Los expertos del Grupo de Innovación de Aplicaciones de 3D Systems aportaron sus conocimientos de diseño y fabricación al proyecto ETHM de Thales Alenia Space, incorporando su experiencia a los archivos finales de construcción que se transfirieron a las instalaciones de producción de AM de Thales en Marruecos. Este plan de fabricación generado por expertos permitió a Thales una transición sin problemas de la producción a sus propias instalaciones de fabricación aditiva, equipadas con varias impresoras directas de metal de 3D Systems. 

“Todas las características son más o menos convencionales, pero reunirlas en un único mecanismo compacto y competitivo es realmente un desafío”.

- Gilles Lubrano, gerente de producto de ETHM

El mecanismo del propulsor eléctrico orienta la propulsión del satélite Spacebus NEO para posicionarlo correctamente en el espacio. Por lo tanto, la confiabilidad de este componente es fundamental para la misión. Se necesitan cuatro ETHM por satélite, que forman el chasis alrededor de los motores. Estas piezas actúan como cardanes de dos ejes que sostienen la unidad de propulsión eléctrica y le permiten vectorizar con movimientos suaves y constantes.

Para cumplir con los requisitos de Thales Alenia Space , el ETHM tenía que equilibrar las limitaciones de volumen y masa y cumplir con las estrictas especificaciones de rendimiento, entre ellas:

• Alta precisión de apuntamiento angular (0,1-grados);
• Reducción del número de piezas, incluyendo la integración funcional de varios productos de propulsión (arneses y tuberías);
• Producción en serie que cumpla con los requisitos de calidad de los productos de clase orbital.

Thales Alenia Space y 3D Systems tienen una asociación de colaboración duradera y trabajaron juntas para poner en órbita más de 1700 piezas aptas para volar desde 2021. En el proyecto ETHM, Thales Alenia Space se asoció con el Grupo de Innovación de Aplicaciones (AIG) de 3D Systems para combinar varias funciones en un espacio de diseño reducido y garantizar una dinámica precisa.

El volumen dinámico total asignado al ETHM es d 480 mm x 480 mm x 380 mm e incluye actuadores giratorios, arneses, tubos y un mecanismo de sujeción. 3D Systems brindó información sobre la fabricación y el diseño para ayudar a Thales Alenia Space a alcanzar sus objetivos de rendimiento. Los expertos de 3D Systems ayudaron a Thales Alenia Space a conseguir una relación resistencia-peso optimizada, mientras resolvían las zonas de concentración de calor para proteger los componentes funcionales de daños térmicos.

Al utilizar la AM para diseñar y producir un sistema, Thales Alenia Space desencadenó una expansión de impactos positivos. La reducción de peso mejoró la eficiencia del empuje más allá de lo que permitiría la fabricación convencional, lo que a su vez mejoró la eficiencia del combustible, redujo los costos y generó nuevas oportunidades de innovación técnica en otros lugares.

3D Systems ayudó a Thales Alenia Space a desarrollar un sólido flujo de fabricación que incluía postprocesos como el acabado CNC y la inspección por tomografía al 100 % para garantizar la capacidad de repetición del producto y del proceso en un entorno controlado por la norma AS9100. Los ingenieros de aplicaciones de 3D Systems también proporcionaron orientación sobre el nivel y la secuencia de los controles de calidad para la mitigación de riesgos con el fin de ayudar a Thales Alenia Space a garantizar un flujo de fabricación exhaustivo, orientado a la calidad y rentable.

Esta experiencia ayudó a Thales Alenia Space a alcanzar la precisión de 0.1-grados requerida con un flujo de trabajo de inspección y CNC exigente en el que algunas piezas tienen hasta 249 puntos de medición tomados a través de la máquina de medición coordinada que deben estar en la especificación. El enfoque de colaboración de 3D Systems incluyó la formación sobre la tecnología a lo largo del proceso de controles de calidad integrados, así como el análisis de la causa raíz de las no conformidades con respecto a las especificaciones de Thales Alenia Space para garantizar el éxito. Antes de la transición de la producción a Thales Alenia Space, 3D Systems ayudó a organizar y coordinar una cadena de suministro de primera clase para cumplir con la producción en serie y produjo más de 70 piezas en su Centro de Innovación del Cliente en Bélgica, que forma parte de la AIG de 3D Systems. La gran capacidad de esta instalación y la capacidad de repetición de las máquinas DMP de 3D Systems ayudaron a garantizar un plazo de entrega corto.

Para garantizar una transición fluida de la producción del ETHM a Thales Alenia Space, los ingenieros de aplicaciones de 3D Systems desarrollaron cada archivo de impresión en 3DXpert^®, incorporando años de experiencia en AM que permitieron a Thales Alenia Space ahorrar tiempo y dinero mientras garantizaban la calidad. Usando estos archivos de construcción generados por expertos, es posible una producción repetible en cualquier impresora de metal directa de 3D Systems. Los soportes finales se imprimen en material de titanio LaserForm Ti6Al4V grado 23.

Varios aspectos del diseño del mecanismo de propulsión hicieron que la orientación de 3D Systems sobre la estrategia de impresión fuera especialmente valiosa, entre ellos:

• Mantener la redondez prevista de varias estructuras abiertas con grandes interfaces circulares.
• Equilibrio entre la resistencia del soporte y la facilidad de extracción.
• Contabilización de las tensiones térmicas durante el proceso de impresión que varían en función de la geometría y el material impreso.

La experiencia de 3D Systems trabajando con materiales de titanio ha ayudado a innumerables aplicaciones críticas a equilibrar la complejidad y la resistencia para lograr los parámetros del proyecto. Herramientas como el módulo de simulación 3DXpert de 3D Systems asisten a estos proyectos reduciendo el número de iteraciones necesarias para conseguir un resultado satisfactorio.

Thales Alenia Space ahora puede imprimir estas piezas en sus propias instalaciones tras la formación y la transferencia de tecnología que 3D Systems le proporcionó a lo largo de los años. La fábrica 3D del grupo Thales en Marruecos está equipada con varias máquinas DMP de 3D Systems y aprovechó la oferta de transferencia de tecnología de 3D Systems en el momento de la instalación. La transferencia de tecnología es una formación intensiva específica para AM, diseñada para ayudar a los nuevos clientes de impresoras a acelerar la transición a la AM y proteger su inversión. En combinación con los archivos de construcción predesarrollados, 3D Systems brindó toda la asistencia necesaria a Thales en la transición a la producción interna.

“Utilizando las mismas máquinas que las de nuestro Centro de Innovación para Clientes en Bélgica, Thales ha simplificado su acceso a una impresión exitosa para que su equipo pueda centrarse en la industrialización de la AM y maximizar el retorno de sus inversiones”, dijo Koen Huybrechts, gerente de Desarrollo de Aplicaciones, Grupo de Innovación de Aplicaciones de 3D Systems.

El ETHM es uno de los primeros mecanismos espaciales completos diseñados íntegramente teniendo en cuenta la fabricación aditiva. Los siete diferentes soportes topológicamente optimizados elevaron el nivel de un equipo multidisciplinar por su tamaño, la alta precisión requerida y la criticidad del sistema.

• La precisión de apuntamiento angular de 0.1-grados garantiza que el mecanismo funcione como se espera en vuelo
• Mayor eficacia del propulsor gracias a la reducción del peso de los soportes topológicamente optimizados
• 249 puntos de medición validados para el control de calidad de la pieza más compleja
• Integración y protección de los productos básicos del propulsor para una forma y función óptimas

El Spacebus NEO forma parte del Programa de Investigación Avanzada en Sistemas de Telecomunicaciones (ARTES) de la Agencia Espacial Europea, de 15 años de duración.