Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP hat aus Formgedächtnispolymeren 3D-gedruckte Scharniere entwickelt, die Solarpaneele von Satelliten entfalten. Mit rund 1,4 Gramm sind sie etwa 93 Prozent leichter als derzeit genutzte Scharniere. Entstanden sind sie im Projekt „Additive Manufacturing of Solar Panels for spACE applications“ (AM-SPACE), an dem neben dem Fraunhofer IAP die German Orbital Systems GmbH (GOS), die Orion Additive Manufacturing GmbH und das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM beteiligt waren.
Gemeinsam mit den Scharnieren wurden Hold-Down-and-Release-Mechanismen (HDRMs) gefertigt, die Bauteile beim Start in Position halten und im Orbit gezielt freigeben. Erste Labortests liegen vor, darunter eine bestandene Ausgasungsprüfung. Die Erprobung unter realen Weltraumbedingungen steht noch aus.
Formgedächtnispolymere integrieren die Bewegungsfunktion ins Bauteil
Grundlage der Scharniere und HDRMs sind Formgedächtnispolymere auf Basis thermoplastischer Polyurethane, die das Fraunhofer IAP im Projekt entwickelt hat. Nach einer sogenannten Programmierung behalten diese Werkstoffe eine temporäre Form bei und kehren bei Erwärmung in ihre ursprüngliche Gestalt zurück. Diesen Einweg-Formgedächtniseffekt nutzen die Forscher, um Bewegungsfunktionen unmittelbar in 3D-gedruckte Bauteile einzubauen. Dafür verarbeiteten sie die Polymere zunächst zu Filamenten für den 3D-Druck.
Die beiden Komponenten arbeiten im Satelliten nacheinander. Erst wenn die HDRMs die beim Start fixierten Bauteile freigegeben haben, entfalten die Scharniere die Solarpaneele. Ein Heizelement erwärmt dazu das Material des Scharniers, das daraufhin seine Form verändert und das Scharnier bewegt. Unter kontrollierten Laborbedingungen genügt eine Erwärmung von 23 auf 140 Grad Celsius, damit sich das Scharnier innerhalb von 60 Sekunden entfaltet.
Druck und Programmierung innerhalb einer Stunde
Der 3D-Druck erlaubt bei den Komponenten Rapid Prototyping. Ein Scharnier ebenso wie ein HDRM ist in jeweils rund 15 Minuten gedruckt, die anschließende Programmierung dauert etwa 30 Minuten. In Summe lassen sich ein Scharnier und ein HDRM damit innerhalb einer Stunde fertigen und programmieren.
Noch kürzer wird die Fertigung im sogenannten 4D-Druck, bei dem die Bewegungsfunktion bereits während des Druckprozesses in das Bauteil eingebracht wird. Auf diesem Weg entwickelte das Fraunhofer IAP HDRMs, die in nur 5 Minuten hergestellt sind und ohne zusätzliche Programmierschritte auskommen. Nach thermischer Aktivierung geben sie die Solarpaneele ebenso gezielt frei wie die 3D-gedruckten Varianten. Für thermoresponsive Bauteile aus Formgedächtnispolymeren vereinfacht der 4D-Druck damit die Fertigung.
Carbonfaserverstärktes PEEK als Basis für die Solarpaneele
Die Solarpaneele und ihre Elektronik entstanden bei den Projektpartnern. Die Orion Additive Manufacturing GmbH entwickelte einen 3D-Drucker, der Polyetheretherketon (PEEK) mit Endloscarbonfaserverstärkung verarbeitet. Zusätzlich druckte sie ein kommerziell verfügbares PEEK-Material, das sich für die Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) eignet. Aus Endloscarbonfasern und LDS-fähigem PEEK fertigte das Unternehmen additiv die Solarpaneel-Substrate für einen 1U-CubeSat.
Auf diesen Substraten erzeugte das Fraunhofer IZM durch Laserstrukturierung und Metallisierung elektrische Leiterbahnen, setzte dreidimensionale Leiterplattenstrukturen um und bestückte sie mit elektronischen Bauteilen. Zudem prüfte und charakterisierte das Institut die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems, unter anderem mit Vibrationsprüfungen, Thermoschocktests, einem Thermal Online-Test zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften sowie Topografiemessungen.
GOS entwickelte das Leiterplattendesign für die dreidimensionalen LDS-PEEK-Substrate, die Elektronik der Solarpaneele und die Heizelemente, die Scharniere und HDRMs aktivieren. Das Unternehmen integrierte zudem die Komponenten der Partner in das Satellitensystem und übernahm die Erprobung und Funktionsprüfung des Gesamtsystems.
Nach den Labortests steht die Erprobung im Weltraum an
Die Entwicklung der Scharniere und HDRMs ist vorerst abgeschlossen. Tests unter Reinraumbedingungen und Temperaturzyklen verliefen ebenso erfolgreich wie erste Versuche in einer Vakuumkammer. Eines der am Fraunhofer IAP entwickelten Formgedächtnispolymere bestand die Ausgasungsprüfung am Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) in Spanien und erfüllt damit eine zentrale Voraussetzung für weltraumtechnische Anwendungen. Für Tests unter realen Weltraumbedingungen laufen Gespräche über ein Folgeprojekt. GOS, ein CubeSat-Hersteller, der seit Jahren Satellitenplattformen einsetzt, hat Interesse an einer solchen Erprobung bekundet.
„Mit AM-SPACE haben wir gezeigt, dass man mit Formgedächtnispolymeren die Konstruktion von Kleinsatelliten neu denken kann: Bauteile werden nicht nur leichter und funktionsintegriert, sondern können bei Bedarf ihre Form gezielt verändern“, sagt Dr. Thorsten Pretsch, Leiter des Forschungsbereichs Funktionale Polymersysteme am Fraunhofer IAP. „Perspektivisch könnten sich Satellitensysteme damit kompakt starten und im Orbit bedarfsgerecht entfalten lassen. Über Scharniere sowie Halte- und Freigabemechanismen hinaus sehen wir Potenzial für weitere aktivierbare Komponenten“, so Pretsch.
AM-SPACE lief von Oktober 2023 bis September 2026 und wurde über PROFit Brandenburg und IBB Pro FIT gefördert. Die Investitionsbank des Landes Brandenburg (ILB) vergab die Mittel mit Kofinanzierung durch die Europäische Union, die Berliner Projektpartner erhielten ihre Förderung von der Investitionsbank Berlin (IBB). Im November stellt das Fraunhofer IAP seine Entwicklungen auf der Formnext in Frankfurt und der Space Tech Expo Europe in Bremen vor.
