Prusament míří do vesmíru! Představujeme PC Space Grade Black – materiál vyvinutý pro vesmírný průmysl a použití v oblasti částicové fyziky. Jeho přednostmi jsou elektrostatická bezpečnost a velmi nízká úroveň odplyňování. Díky příznivé ceně a snadnému tisku na běžných stolních 3D tiskárnách představuje unikátní řešení pro celé odvětví. Vzhledem k tomu, že je nový materiál elektrostaticky disipativní a je kompatibilní s desktopovými 3D tiskárnami, může být určen nejen pro součástky vystavené kosmickému prostředí, ale i pro pokročilé domácí projekty, jako jsou kryty elektronických zařízení a další technické díly. Pojďme se tedy blíže podívat na vlastnosti tohoto revolučního materiálu.

Špičkový materiál dostupný pro každého

Naším cílem bylo vytvořit profesionální, ale dostupný materiál, který usnadní prototypování a výrobu součástek pro vesmírné použití. Doposud byly v tomto oboru použitelné pouze velmi drahé materiály jako PEEK, PEKK a PEI s obdobnými vlastnostmi, které navíc vyžadují průmyslové tiskárny s vysokou pořizovací cenou. Prusament PC Space Grade Black však lze tisknout na většině 3D tiskáren Prusa, což výrazně snižuje výslednou cenu vyráběných dílů a zvyšuje dostupnost této technologie.

Prusa CORE One s filamentem Prusament PC Space Grade Black.

Požadavky na materiály pro vesmírné aplikace

Aby mohl být materiál použitý ve vesmíru, musí splňovat specifické vlastnosti, které mu umožní přežít v tomto extrémním prostředí. Některé z těchto požadavků jsou relativně snadno dosažitelné (např. tepelná a mechanická odolnost), zatímco jiné (např. odplyňování a elektrostatická disipativnost) jsou mnohem náročnější. Tyto vlastnosti se testují v certifikovaných laboratořích (např. ESA, CERN) a materiál je na základě výsledků zařazen do jednotlivých kategorií pro konkrétní použití.

S materiálem Prusament PC Space Grade Black chceme dosáhnout na nejvyšší klasifikaci polymerů, která by umožnila jeho použití pro strukturální součásti, jako jsou rámy satelitů typu CubeSat. Několik kroků ke splnění tohoto cíle nám ještě zbývá, protože čekáme na výsledky dalších testů. Nicméně již nyní máme za sebou ty nejobtížnější milníky a můžeme říci, že náš materiál je vhodný pro méně náročné použití v oblasti kosmických technologií. To zahrnuje například kryty elektroniky, držáky kabelů a další díly vystavené nižšímu mechanickému zatížení. Pojďte se spolu s námi podívat na konkrétní výsledky, o kterých už můžeme mluvit.

Jedno z méně náročných použití souvisejících s kosmickým odvětvím: Prusament PC Space Grade Black byl použitý jako doraz u vypouštěcího mechanismu satelitu CubeSat navrženého společností TRL Space.

Odplyňování

Největším prozatímním úspěchem je velmi nízká úroveň odplyňování. Obecně se z polymerů ve vakuu uvolňují zbytkové monomery nebo produkty vlastní degradace. A právě tyto látky mohou ovlivnit nebo poškodit elektroniku satelitu či jiných přesných zařízení. Uvolněné plyny mohou kontaminovat optické přístroje nebo způsobit nepřesnosti nejrůznějších senzorů. Uvolnění plynů pak může také negativně ovlivnit fyzikální a mechanické vlastnosti samotného materiálu.

Vyrobit termoplastické polymery s nízkou úrovní odplyňování je značně náročné a typicky se toho dosahuje pouze u drahých průmyslových materiálů jako PEKK nebo PEEK. My jsme dokázali splnit přísné požadavky definované Evropskou kosmickou agenturou pomocí polykarbonátu, který je relativně levný, běžný a snadno tisknutelný.

Test odplyňování byl proveden na vytištěných vzorcích v laboratoři spolupracující s ESA. Níže najdete shrnuté výsledky, ale můžete si také stáhnout kompletní zprávu.

Naměřené hodnoty odplyňování a použitý postup měření

TML (Celková ztráta hmotnosti): Vzorek se zváží, následně se vystaví specifické teplotě ve vakuu a poté se opět zváží. Ztráta hmotnosti se udává v %. Limit ESA je 1 %, výsledek Prusamentu PC Space Grade Black byl 0.25%.

CVCM (Shromážděný těkavý kondenzovatelný materiál): Množství organických sloučenin uvolněných z materiálu za specifické teploty a vakua, které je zachyceno měřicím zařízením. Limit ESA je méně než 0,1 %, výsledek Prusamentu PC Space Grade Black dosáhl skvělých 0.00%.

RML (Obnovená ztráta hmotnosti): Celková ztráta hmotnosti po odečtení absorbované vody. Vzorek se nejprve zváží a následně je po konkrétní dobu vystaven specifické teplotě ve vakuu. Poté je vystaven pokojové teplotě (22 ± 3 °C) a 65% relativní vlhkosti, následně se znovu zváží. Limit ESA je 1,0 %, výsledek Prusamentu PC Space Grade Black byl 0.12%.

Prototypy konstrukcí satelitů CubeSat navržených a vytištěných v TRL Space.

Elektrostatické disipativní vlastnosti

Další klíčovou vlastností pro použití v kosmických součástkách je schopnost odvádět elektrostatický náboj. Tato vlastnost je důležitá nejen pro kosmický průmysl, ale i pro každého, kdo pracuje s elektronikou.

Běžné polymery se podle elektrické vodivosti dělí na izolanty, disipativní materiály a vodivé materiály. Většina běžně používaných materiálů pro FFF/FDM tisk patří mezi izolanty. Ty však nejsou vhodné pro tisk součástek, které přichází do přímého kontaktu s elektronikou, protože nejsou schopné rozptýlit elektrostatický výboj.

Vlastnosti materiálu však lze upravit přidáním různých aditiv a takto upravené filamenty se na trhu označují jako „ESD-safe“, tedy elektrostaticky disipativní. Měřený odpor disipativních materiálů se pohybuje mezi 10⁴ a 10¹¹ Ohmů, vyšší odpor značí izolant, nižší odpor značí vodivý materiál.

U vytištěných vzorků z materiálu Prusament PC Space Grade Black jsme měřili objemový i povrchový odpor a výsledky potvrdily vysoce disipativní charakter materiálu. Objemový odpor byl naměřen na hodnotě 2,2×10⁴ Ω⋅m, zatímco povrchový činil 6×10⁷ Ω/sq. Těchto výjimečných hodnot bylo dosaženo přímo na 3D tištěných dílech, bez jakékoliv následné úpravy (např. žíhání nebo broušení), což svědčí o stabilních a kvalitních disipativních vlastnostech našeho nového filamentu. Díly tedy lze po vytištění rovnou použít pro širokou škálu aplikací, kde jsou popisované vlastnosti nezbytné.

Prototyp vypouštěcího zařízení pro satelit CubeSat od společnosti TRL Space s komponenty vyrobenými z materiálu Prusament PC Space Grade.

Mechanické vlastnosti

Na začátku spolupráce s TRL Space jsme provedli simulaci metodou konečných prvků (FEM) pro návrh satelitu CubeSat a stanovili minimální požadované hodnoty mechanických vlastností, které by tištěné díly měly překročit. Minimální požadované hodnoty byly: pevnost v tahu 70 MPa, modul pružnosti 2 GPa, soudržnost vrstev 10 MPa a teplota tvarové stálosti (HDT) 100 °C.

S radostí pak můžeme prohlásit, že Prusament PC Space Grade Black tyto požadavky nejen splnil, ale i překonal:

• Pevnost v tahu: 75 MPa
• Modul pružnosti: 3.7 GPa
• Soudržnost vrstev: 18 MPa
• HDT: 137.6 °C při zatížení 0.45 MPa

Překročení těchto hodnot (v kombinaci s ESD a vlastnostmi odplyňování) činí z tohoto filamentu silného kandidáta na cenově dostupný materiál pro budoucí výrobu satelitů CubeSat. Více informací o mechanických vlastnostech najdete v technickém listu.

Barva, hmotnost a cena

Uhlíková aditiva dodávají filamentu specifickou černou barvu se saténovým povrchem. Struktura povrchu tištěných objektů může mírně připomínat jiné uhlíkem plněné filamenty, jako například Prusament PC Blend Carbon Fiber.

Cívka o hmotnosti 850 g je k dispozici za 5999 Kč včetně DPH.

Tiskové vlastnosti

Prusament PC Space Grade Black lze použít pro tisk na běžných stolních 3D tiskárnách, jako tomu je u obvyklých polykarbonátů. Filament vykazuje minimální kroucení (warping). A modely až do velikosti 200 × 200 mm lze bez problémů tisknout na 3D tiskárnách Prusa.

• Podporované tiskárny: Prusa CORE One, MK4S, XL, Prusa Pro HT90 (podporovány jsou i tiskárny třetích stran)
• Teplota trysky/vyhřívané podložky: 290 / 120 °C
• Tryska: Hardened 0.4 mm or larger
• Doporučené tiskové pláty: Saténový, TXT, PP
• Zakrytování tiskárny: není nutné

Před tiskem doporučujeme filament vysušit (6 hodin při 60 °C) a během tisku uchovávat v dryboxu pro dosažení nejlepších výsledků. Vysušený Prusament PC Space Grade Black nabízí vynikající rozměrovou přesnost a nejlepší vlastnosti ve všech popisovaných ohledech.

Ukázkové výtisky

CubeSat 1u (Součástka využitelná ve vesmíru)	4.7L Mini ITX case by eCrowne (Ukázka elektrostaticky disipativní součástky)
Falcon 9 grid fin coaster by Sebastián Alejandro (Dekorativní model ve vesmírném stylu)	Engine Block V6 by Prusa Research (Další ukázka dobře vypadajícího 3D výtisku)

Sledovatelný proces

Na závěr nabízíme ještě jednu výraznou výhodu: celý výrobní proces dané součástky můžete sledovat od začátku až do konce. Ke všem cívkám Prusamentu poskytujeme výrobní data včetně konzistence průměru, hmotnosti, délky, oválnosti a obvyklých odchylek. Tisk včetně telemetrie pak lze samozřejmě sledovat přes Prusa Connect.

Ani to ale není vše. Jak už jsme zmínili výše, s trochou štěstí se nám podaří získat klasifikaci, která umožní použití Prusamentu PC Space Grade Black v nejvyšší kategorii polymerů určených pro kosmické aplikace. I proto stojí za zmínku, že tomuto Prusamentu věříme natolik, abychom si podali přihlášku k patentu.

Pokud máte jakékoliv nápady na spolupráci v souvislosti s Prusamentem PC Space Grade Black, ozvěte se nám na [email protected]. Rádi se zapojíme do jakéhokoliv projektu souvisejícího s vesmírem.

Líbí se vám nový Prusament? Dejte nám vědět v komentářích.

Tisku zdar!