Prusament punta alla frontiera finale! Stiamo lanciando il PC Space Grade Black, un materiale sviluppato per l’industria spaziale e le applicazioni di fisica delle particelle. I suoi principali vantaggi sono le proprietà ESD-safe e il bassissimo degassamento. Inoltre, il prezzo accessibile e la facilità di stampa con le comuni stampanti desktop lo rendono unico nel suo genere in questo settore. Grazie alle eccellenti proprietà ESD e alla compatibilità con le stampanti 3D desktop, è adatto non solo per parti esposte allo spazio esterno, ma anche per progetti personali avanzati, come alloggiamenti per dispositivi elettronici e altro ancora. Diamo un’occhiata più da vicino alle proprietà di questo materiale rivoluzionario.

Materiale di alta qualità accessibile a tutti

Il nostro obiettivo era quello di creare un materiale professionale ma accessibile che rendesse più facile la prototipazione e la produzione di componenti spaziali. Fino ad ora, solo materiali costosi come PEEK, PEKK e PEI con proprietà ESD-safe erano adatti a questo campo. Tutti questi materiali richiedono stampanti industriali molto costose. Prusament PC Space Grade Black può essere stampato sulla maggior parte delle stampanti 3D Prusa, il che riduce significativamente il prezzo finale dei componenti prodotti e ne aumenta notevolmente l’accessibilità per tutti.

Prusa CORE One con Prusament PC Space Grade Black

Requisiti delle applicazioni spaziali

Per poter essere utilizzato nello spazio, il materiale deve possedere una serie di proprietà specifiche che gli consentano di resistere alle condizioni ambientali estreme. Alcune di queste proprietà sono relativamente facili da ottenere (resistenza termica e meccanica), mentre altre sono più difficili da realizzare (proprietà di degassamento e protezione ESD). Tali proprietà vengono testate in laboratori certificati (ESA, CERN…) e il materiale viene quindi classificato per campi di applicazione più specifici in base ai risultati ottenuti.

Per il Prusament PC Space Grade Black, puntiamo a ottenere la classificazione più alta per i polimeri, che consentirebbe di utilizzare il materiale per componenti strutturali, come ad esempio i telai per CubeSat. Mancano ancora alcuni passi prima di raggiungere questo obiettivo, dal momento che siamo ancora in attesa dei risultati di numerosi test. Tuttavia, abbiamo già superato le tappe più difficili e possiamo affermare che il nostro materiale è già idoneo per applicazioni spaziali meno impegnative. Ciò include componenti sottoposti a livelli di stress inferiori, come alloggiamenti per elettronica, supporti per cavi e altro ancora. Diamo un’occhiata ai risultati che siamo già in grado di fornire.

Una delle applicazioni spaziali meno impegnative: Prusament PC Space Grade Black è stato utilizzato come finecorsa di un dispiegatore di cubesat progettato da TRL Space.

Degasaggio

Il risultato di gran lunga più importante è il livello di degasaggio. In genere, in condizioni di vuoto, dai polimeri vengono rilasciati vari monomeri residui o prodotti della degradazione dei polimeri. Ciò può influire o addirittura danneggiare i componenti elettronici utilizzati sul satellite (o su qualsiasi altro macchinario di precisione). I gas rilasciati possono contaminare i dispositivi ottici o causare misurazioni inaccurate da parte dei sensori. Inoltre, il rilascio di gas stesso può ridurre le proprietà fisiche e meccaniche del materiale.

La produzione di polimeri termoplastici con bassi livelli di degassamento rappresenta una grande sfida e solitamente viene realizzata con materiali costosi di livello industriale, come il PEKK e il PEEK. Siamo riusciti a soddisfare i severi requisiti definiti dall’Agenzia Spaziale Europea utilizzando il PC (policarbonato), un materiale relativamente economico, comune e facile da stampare.

Il test di degassamento è stato condotto su campioni stampati in 3D presso un laboratorio affiliato all’ESA. Di seguito riportiamo i risultati, ma è possibile scaricare il rapporto completo qui..

Valori di degassaggio misurati e metodi utilizzati:

TML (Total Mass Loss o Perdita di massa totale): Un campione viene pesato, esposto a una temperatura specifica sotto vuoto spinto e poi pesato nuovamente. La perdita di massa viene rappresentata in percentuale. Il limite ESA è dell’1%; Prusament PC Space Grade Black ha raggiunto lo 0.25%.

CVCM (Collected Volatile Condensable Material o Materiale Condensabile Volatile Raccolto): La quantità di composti organici rilasciati dal materiale a una temperatura costante specifica sotto vuoto, che viene raccolta dal dispositivo di misurazione. Il limite stabilito dall’ESA è inferiore allo 0,1%; il Prusament PC Space Grade Black ha raggiunto un perfetto 0.00%.

RML (Recovered Mass Loss): La perdita di massa totale senza acqua assorbita. Innanzitutto, il campione viene pesato, quindi esposto a una temperatura specifica sotto vuoto per un determinato periodo di tempo. Successivamente, viene esposto a temperatura ambiente (22 ± 3 °C) e umidità relativa del 65%. Infine, viene pesato nuovamente e viene calcolata la perdita di massa finale in %. Il limite massimo stabilito dall’ESA è dell’1,0%; il Prusament PC Space Grade Black ha raggiunto 0.12%.

Prototipi di strutture CubeSat progettati e stampati in 3D da TRL Space

Proprietà di dissipazione elettrostatica (ESD)

Un’altra caratteristica necessaria per l’uso nei componenti spaziali è la dissipazione elettrostatica. Questa qualità è importante non solo per gli ingegneri spaziali, ma anche per chiunque lavori con dispositivi elettronici.

I polimeri comunemente utilizzati possono essere suddivisi in 3 gruppi in base alla conduttività: isolanti, materiali dissipativi e materiali conduttivi. La maggior parte dei materiali utilizzati nella stampa 3D FFF/FDM ha proprietà isolanti. Tali materiali non sono adatti alla stampa di parti che entrano in contatto diretto con componenti elettronici, poiché non sono in grado di dissipare le scariche elettrostatiche.

Tuttavia, la resistività del materiale può essere ridotta con vari additivi. Tali filamenti modificati diventano quindi dissipativi e sono disponibili sul mercato con l’etichetta “ESD-safe”. La resistenza misurata dei materiali dissipativi varia tra 10⁴ e 10¹¹ Ohm. Qualsiasi materiale con una resistenza superiore è considerato isolante, mentre qualsiasi materiale con valori inferiori è considerato conduttivo.

Abbiamo misurato sia il volume che la resistività superficiale dei campioni stampati in 3D con Prusament PC Space Grade Black, e i risultati hanno confermato l’elevata capacità dissipativa del materiale. La resistività volumetrica è stata misurata a 2,2×10⁴ Ω⋅m, mentre la resistività superficiale era 6×10⁷ Ω/sq. Questi valori eccezionali sono stati ottenuti direttamente dai campioni stampati in 3D, senza alcuna post-elaborazione, come annealing o levigatura, a testimonianza delle prestazioni ESD intrinseche e costanti del filamento. Ciò dimostra che i componenti possono essere stampati e immediatamente utilizzati per un’ampia gamma di applicazioni che richiedono una dissipazione elettrostatica affidabile.

Prototipo di dispiegatore CubeSat realizzato da TRL Space con componenti Prusament PC Space Grade

Proprietà meccaniche

All’inizio del nostro progetto congiunto con TRL Space, abbiamo condotto una simulazione con il metodo degli elementi finiti per un progetto CubeSat a unità singola e abbiamo stabilito i valori minimi richiesti per le proprietà meccaniche che i componenti stampati in 3D devono superare. Questi valori minimi erano 70 MPa per la resistenza alla trazione, 2 GPa per il modulo di elasticità, 10 MPa per l’adesione tra gli strati e 100 °C per la temperatura di deflessione al calore (HDT).

Siamo soddisfatti di poter affermare che il Prusament PC Space Grade Black ha superato con successo questi criteri, poiché abbiamo raggiunto:

• Resistenza alla trazione: 75 MPa
• Modulo di elasticità: 3.7 GPa
• Adesione tra gli strati: 18 MPa
• HDT: 137.6 °C con un carico di 0.45 MPa

Il superamento di questi valori (insieme alle proprietà di degassamento e ESD) rende il filamento un forte candidato come materiale economico adatto alla futura produzione di CubeSat. Maggiori dettagli sulle proprietà meccaniche sono disponibili nella scheda tecnica.

Prezzo, peso e colore

Gli additivi di carbonio all’interno del filamento gli conferiscono un colore nero specifico con una finitura satinata. La struttura superficiale dell’oggetto stampato può assomigliare leggermente ad altri filamenti caricati con carbonio, come Prusament PC Blend Carbon Fiber.

È possibile acquistare la bobina da 850 g al prezzo di 229 USD / 249 € (IVA inclusa).

Proprietà di stampa

Il Prusament PC Space Grade Black può essere stampato su comuni stampanti 3D desktop, proprio come i normali policarbonati. Il filamento presenta una deformazione minima o nulla. Modelli di dimensioni fino a 200×200 mm possono essere stampati in tutta sicurezza sulle stampanti 3D Prusa senza alcun problema.

• Profili stampanti 3D supportate: Prusa CORE One, MK4S, XL, Prusa Pro HT90 (Possono essere usate anche stampanti 3D di terze parti)
• Temperatura ugello/piano: 290 / 120 °C
• Ugello: Temprato 0,4 mm o superiore
• Piastra di stampa consigliata: Satinata, TXT, PP
• Enclosure: Non necessaria

Per ottenere risultati ottimali, si consiglia di essiccare il filamento prima della stampa (6 ore a 60 °C) e di conservarlo in una drybox durante la stampa. Il Prusament PC Space Grade Black essiccato offre un’eccezionale precisione dimensionale e le migliori proprietà meccaniche e di degassamento.

Stampe di esempio

CubeSat 1u (Componente utilizzabile nello spazio)	4.7L Mini ITX case by eCrowne (Esempio di componente sicuro contro le scariche elettrostatiche)
Falcon 9 grid fin coaster by Sebastián Alejandro (Modello estetico a tema spaziale)	Engine Block V6 by Prusa Research (Un altro esempio di stampa 3D dall’aspetto gradevole)

Processo tracciabile

Offriamo un ulteriore vantaggio significativo: l’intero processo di produzione del componente è tracciabile dall’inizio alla fine. In primo luogo, forniamo dati sulla produzione dei filamenti per tutte le bobine Prusament, tra cui uniformità del diametro, peso, lunghezza, ovalità e deviazione standard. In secondo luogo, è possibile monitorare lo stato di avanzamento della stampa 3D, compresa la telemetria, tramite Prusa Connect.

Ma non è tutto. Con un po’ di fortuna, otterremo risultati sufficientemente buoni da qualificare Prusament PC Space Grade Black per la categoria più alta di polimeri utilizzati nelle applicazioni spaziali. Infine, vale la pena ricordare che crediamo così tanto in questo Prusament che è il nostro primo filamento per il quale abbiamo presentato una domanda di brevetto.

Inoltre, se avete idee per una collaborazione riguardante Prusament PC Space Grade Black, contattateci all’indirizzo [email protected]. Saremo lieti di partecipare a qualsiasi progetto legato allo spazio.

Vi piace il nostro nuovo Prusament? Fatecelo sapere nei commenti.

Buona stampa!