Prusament dąży do przekraczania granic! Wprowadzamy na rynek PC Space Grade Black – materiał opracowany z myślą o zastosowaniach kosmicznych oraz w fizyce cząstek elementarnych. Jego główne zalety to właściwości antystatyczne (ESD-safe) oraz bardzo niskie odgazowywanie. Ponadto jego przystępna cena i łatwość drukowania na drukarkach desktopowych sprawiają, że jest to produkt wyjątkowy w tej branży. Dzięki doskonałym właściwościom ESD i kompatybilności z drukarkami desktopowymi nadaje się nie tylko do części narażonych na warunki kosmiczne, ale także do zaawansowanych projektów osobistych, takich jak obudowy urządzeń elektronicznych i innych. Przyjrzyjmy się bliżej właściwościom tego rewolucyjnego materiału.

Wysokiej klasy materiał dostępny dla każdego

Naszym celem było stworzenie niedrogiego materiału do użytku profesjonalnego, który ułatwiłby prototypowanie i produkcję elementów używanych w kosmosie. Do tej pory w tej dziedzinie sprawdzały się tylko drogie materiały, takie jak PEEK, PEKK i PEI, posiadające właściwości ESD. Wszystkie te materiały wymagają bardzo drogich drukarek przemysłowych. Prusament PC Space Grade Black można drukować na większości drukarek 3D Prusa, co znacznie obniża końcową cenę produkowanych komponentów i znacznie zwiększa dostępność dla wszystkich.

Prusa CORE One z Prusamentem PC Space Grade Black

Wymagania związane z zastosowaniami kosmicznymi

Aby materiał mógł być stosowany w przestrzeni kosmicznej, musi wykazywać określone właściwości, które pozwolą mu przetrwać w trudnych warunkach. Niektóre z nich są stosunkowo łatwe do osiągnięcia (odporność termiczna i mechaniczna), podczas gdy inne są trudniejsze (właściwości związane z odgazowaniem i ESD). Właściwości te są testowane w certyfikowanych laboratoriach (ESA, CERN…), a następnie na podstawie wyników materiał jest klasyfikowany do bardziej szczegółowych zastosowań.
Tworząc Prusament PC Space Grade Black dążyliśmy do uzyskania najwyższej klasyfikacji dla polimerów, która pozwoliłaby na wykorzystanie tego materiału do produkcji elementów konstrukcyjnych, takich jak ramy do satelit CubeSat. Do osiągnięcia tego celu pozostało jeszcze kilka działań, ponieważ nadal czekamy na wyniki niektórych testów. Jednak najtrudniejsze etapy mamy już za sobą i obecnie możemy stwierdzić, że nasz materiał nadaje się do mniej wymagających zastosowań kosmicznych. Obejmuje to elementy poddawane mniejszym obciążeniom, takie jak obudowy elektroniki, uchwyty przewodów i inne. Przyjrzyjmy się wynikom, które możemy już przedstawić.  

Jedno z mniej wymagających zastosowań związanych z przestrzenią kosmiczną: Prusament PC Space Grade Black został użyty jako odbój w urządzeniu do rozmieszczania satelitów typu CubeSat zaprojektowanego przez TRL Space.

Odgazowanie

Zdecydowanie największym osiągnięciem jest stopień odgazowania. Ogólnie rzecz biorąc, z polimerów w próżni uwalniane są różne pozostałości monomerów lub produkty degradacji samego polimeru. Może to oddziaływać na elektronikę stosowaną w satelicie (lub innych precyzyjnych urządzeniach), a nawet ją uszkodzić. Uwolnione gazy mogą zanieczyszczać urządzenia optyczne lub powodować przekłamania pomiarów precyzyjnych czujników. Wreszcie samo uwalnianie gazów może pogorszyć właściwości fizyczne i mechaniczne materiału.
Produkcja polimerów termoplastycznych o niskim poziomie odgazowania stanowi duże wyzwanie i zazwyczaj osiąga się ją w drogich materiałach klasy przemysłowej, takich jak PEKK i PEEK. Udało nam się spełnić surowe wymagania określone przez Europejską Agencję Kosmiczną, biorąc za bazę PC (poliwęglan), który jest stosunkowo tanim, powszechnie dostępnym i łatwym w druku materiałem.
Test odgazowania został przeprowadzony na próbkach wydrukowanych w 3D w laboratorium powiązanym z ESA. Poniżej przedstawiamy wyniki, a tutaj możesz pobrać pełny raport.

Zmierzone wartości odgazowania i zastosowane metody:

TML (Total Mass Loss, czyli całkowita utrata masy): próbka jest ważona, poddawana działaniu określonej temperatury w warunkach wysokiej próżni, a następnie ponownie ważona. Ubytek masy jest wyrażany w procentach. Limit ESA wynosi 1%. Prusament PC Space Grade Black osiągnął wynik 0,25%.
CVCM (Collected Volatile Condensable Material, czyli ilość materiałów lotnych, które odparowały i następnie skropliły się na zimnej powierzchni): ilość związków organicznych uwalnianych z materiału w określonej stałej temperaturze w próżni, która jest zbierana przez urządzenie pomiarowe. Limit określony przez ESA wynosi mniej niż 0,1%; Prusament PC Space Grade Black osiągnął doskonały wynik 0,00%.
RML (Recovered Mass Loss, czyli masa utracona po próbie odgazowania pomniejszona o skroplone lotne produkty kondensacji): całkowita utrata masy bez wody wchłoniętej. Najpierw próbka jest ważona, a następnie poddawana działaniu określonej temperatury w próżni przez określony czas. Następnie jest poddawana działaniu temperatury pokojowej (22 ± 3°C) i wilgotności względnej 65%. Na koniec jest ponownie ważona i obliczana jest ostateczna utrata masy w %. Maksymalny limit określony przez ESA wynosi 1,0%; Prusament PC Space Grade Black osiągnął 0,12%.

Prototypy konstrukcji CubeSat zaprojektowane i wydrukowane w 3D przez TRL Space

Właściwości rozpraszania ładunków elektrostatycznych (ESD)

Kolejną cechą niezbędną w przypadku komponentów kosmicznych jest rozpraszanie ładunków elektrostatycznych. Ta właściwość jest ważna nie tylko dla inżynierów kosmicznych, ale także dla wszystkich osób pracujących z urządzeniami elektronicznymi.
Powszechnie stosowane polimery można podzielić na 3 grupy według przewodności: materiały izolacyjne, materiały rozpraszające i materiały przewodzące. Większość materiałów stosowanych w druku 3D FFF/FDM ma właściwości izolacyjne. Materiały takie nie nadają się do drukowania części, które mają bezpośredni kontakt z elektroniką, ponieważ nie są w stanie rozpraszać wyładowań elektrostatycznych.
Jednak oporność materiału można obniżyć za pomocą różnych dodatków. Takie zmodyfikowane filamenty stają się rozpraszające i można je znaleźć na rynku pod nazwą „ESD-safe”. Zmierzona rezystancja materiałów rozpraszających wynosi od 10⁴ do 10¹¹ Omów. Wszystko, co ma wyższą rezystancję, jest uważane za izolujące, a wszystko, co ma niższe wartości, jest uważane za przewodzące.
Zmierzono zarówno rezystywność objętościową, jak i powierzchniową próbek wydrukowanych w 3D z Prusamentu PC Space Grade Black, a wyniki potwierdziły silnie dyssypacyjny charakter materiału. Objętościowa rezystywność została zmierzona na poziomie 2,2×10⁴ Ω⋅m, natomiast rezystywność powierzchniowa wyniosła 6×10⁷ Ω/sq. Te wyjątkowe wartości zostały uzyskane bezpośrednio z próbek wydrukowanych 3D, bez żadnej obróbki końcowej, takiej jak wyżarzanie czy szlifowanie, co świadczy o wrodzonej i stałej wydajności ESD naszego filamentu. To pokazuje, że części mogą być wydrukowane i natychmiast wprowadzone do użytku w szerokiej gamie zastosowań wymagających niezawodnego rozpraszania ładunków elektrostatycznych.

Prototyp urządzenia do rozmieszczania satelitów CubeSat wykonany przez TRL Space z wykorzystaniem komponentów z Prusamentu PC Space Grade.

Właściwości mechaniczne

Na początku naszej pracy nad tym projektem z TRL Space przeprowadziliśmy symulację metodą elementów skończonych dla pojedynczego modułu CubeSat i ustaliliśmy minimalne wymagane właściwości mechaniczne, które powinny wykazywać części wydrukowane w 3D. Te minimalne wartości to 70 MPa dla wytrzymałości na rozciąganie, 2 GPa dla modułu sprężystości przy rozciąganiu, 10 MPa dla przyczepności międzywarstwowej i 100°C dla temperatury ugięcia cieplnego (HDT).
Z przyjemnością informujemy, że Prusament PC Space Grade Black z powodzeniem spełnił te kryteria, osiągając:

• Wytrzymałość na rozciąganie: 75 MPa
• Moduł sprężystości przy rozciąganiu: 3,7 GPa
• Przyczepność międzywarstwowa: 18 MPa
• Temperatura ugięcia pod obciążeniem (HDT): 137,6 °C przy obciążeniu 0,45 MPa

Przekroczenie tych wartości (w połączeniu z odgazowywaniem i charakterystyką ESD) sprawia, że filament jest silnym kandydatem jako niedrogi materiał odpowiedni do przyszłej produkcji CubeSat. Więcej szczegółów na temat właściwości mechanicznych można znaleźć w karcie technicznej.

Cena, waga i kolor

Dodatek włókien węglowych nadaje filamentowi charakterystyczny czarny kolor i satynowe wykończenie. Struktura powierzchni wydruku może nieco przypominać inne filamenty domieszkowane tak samo, takie jak Prusament PC Blend Carbon Fiber.

Szpulę o masie netto 850g możesz kupić za 1059 PLN.

Drukowalność

Prusament PC Space Grade Black można drukować na zwykłych drukarkach 3D, tak jak szeroko używane poliwęglany. Filament nie wykazuje prawie żadnego wypaczania. Modele o wymiarach nawet 200 x 200 mm można bezpiecznie drukować na drukarkach 3D Prusa bez żadnych problemów.

• Obsługiwane profile drukarek 3D: Prusa CORE One, MK4S, XL, Prusa Pro HT90 (można również używać drukarek 3D innych producentów).
• Temperatura dyszy/stołu: 290 / 120°C
• Dysza: Utwardzona 0,4 mm lub większa
• Zalecane płyty stołu: satynowa, teksturowana, PP
• Obudowa: niewymagana

Aby uzyskać najlepsze wyniki, zalecamy wysuszenie filamentu przed drukowaniem (6 godzin w temperaturze 60°C) i przechowywanie go w dryboxie podczas drukowania. Suchy Prusament PC Space Grade Black zapewnia wyjątkową dokładność wymiarową oraz najlepsze właściwości mechaniczne i odgazowujące.

Przykładowe wydruki

CubeSat 1u (komponent nadający się do użytku w przestrzeni kosmicznej)	4.7L Mini ITX case od eCrowne (przykład elementu ESD-safe)
Falcon 9 grid fin coaster od Sebastián Alejandro (model dekoracyjny o tematyce kosmicznej)	Engine Block V6 od Prusa Research (kolejny przykład atrakcyjnego wydruku 3D)

Proces, który można zweryfikować

Oferujemy jeszcze jedną istotną zaletę: cały proces produkcji komponentu jest identyfikowalny od początku do końca. Po pierwsze, dostarczamy dane produkcyjne każdej szpuli Prusamentu, w tym spójność średnicy, wagę, długość, owalność i odchylenie standardowe. Po drugie, można śledzić postęp drukowania 3D, w tym telemetrię, dzięki Prusa Connect.

Ale to nie wszystko. Przy odrobinie szczęścia uzyskamy wyniki wystarczająco dobre, aby zakwalifikować Prusament PC Space Grade Black do najwyższej kategorii polimerów stosowanych w zastosowaniach kosmicznych. Na koniec warto wspomnieć, że wierzymy w ten Prusament tak bardzo, że jest to nasz pierwszy filament, dla którego złożyliśmy wniosek patentowy.
Jeśli masz jakieś pomysły dotyczące współpracy w zakresie zastosowania Prusamentu PC Space Grade Black, skontaktuj się z nami pod adresem [email protected]. Z przyjemnością weźmiemy udział w każdym projekcie związanym z kosmosem.
Podoba Ci się nasz nowy Prusament? Daj nam znać w komentarzach.
Udanego drukowania!