Additive Fertigung 3D-gedruckte Hochfrequenz-Hardware für Satelliten und Radioteleskope

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Passive Hochfrequenz-Hardware (HF) ist nicht so bekannt wie 3D-gedruckte Brennkammern für Raketen, hat aber enormes Potenzial. Schon heute kommen die Komponenten in Radioteleskopen oder Satelliten zum Einsatz. Welche Vorteile HF-Teile bieten und wie sie in der Praxis genutzt werden.

Additive Fertigungsverfahren wie das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) sind dafür bekannt, dass sie ein funktionsorientiertes Design ermöglichen, das zu einer anderweitig nicht möglichen Teilegeometrie, Konsolidierung und Geschwindigkeit führt. Mit der zunehmenden Reife von Werkstoffen und Verfahren können immer mehr Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt erfolgreich umgesetzt werden, so zum Beispiel leichte Halterun

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Eine vielleicht weniger bekannte Anwendung, die sich in nahezu allen Bereichen auswirken kann, ist die passive Hochfrequenz-Hardware (HF). Von Bodenradioteleskopen, die Astronomen bei der Erforschung unseres Universums helfen, bis hin zum wachsenden Datenaustauschbedarf im Weltraum zur Unterstützung von Wissenschafts- und Telekommunikationssatelliten, sind passive HF-Komponenten für das Senden und Empfangen von HF-Signalen unerlässlich. Im Folgenden sehen wir uns einige neue Anwendungen an, die die additive Fertigung möglich macht.

Vom ersten luftfahrttauglichen Metall-Hochfrequenzfilter aus dem 3D-Drucker bis hin zum Satelliten Eurostar-Neo

3D Systems unterstützte Airbus Defence und Space bei der Entwicklung des ersten getesteten und zugelassenen HF-Filters, der durch additive Metallfertigung hergestellt wurde. Heute ist die Technologie in zwei Eurostar-Neo-Satelliten im Einsatz: Eutelsat Hotbird 13F und 13G haben über 500 additiv gefertigte HF-Komponenten an Bord.

Im Zuge des von der Europäischen Weltraumorganisation geförderten Forschungsprojekts fanden HF-Entwickler heraus, dass die Oberflächenbeschaffenheit einer gedruckten Metalloberfläche besser funktioniert als eine konventionell hergestellte Fläche mit einem entsprechenden Ra-Wert. Tests bestätigten dies, sodass das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen schnell breiter eingesetzt wurde.

Neben den technischen Vorteilen, die sich aus dem geringeren Volumen und der geringeren Masse der HF-Komponenten ergeben, waren die wichtigsten Kennzahlen für das Satellitenprogramm die geringere Zeit für den Bau, die Integration und Prüfung der additiv gefertigten Komponenten im Vergleich zu konventionell entwickelten und hergestellten Komponenten.

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Drei Gründe für 3D-Druck in der Serienproduktion

Dyson-Conical-Quad-Spiral Array (DYQSA) für Ultrabreitbandfrequenzen (UWB)

Die durch die additive Fertigung von Metallen und Polymeren ermöglichte Konstruktionsfreiheit führt auch zu Fortschritten in der bodengebundenen Radioastronomie.

Die konische, logarithmische Spiralantenne wurde 1959 von J. Dyson konzeptioniert. Bis 3D Systems für Forscher der Universität Carlos III Madrid im Jahr 2017 die erste Dyson-Quad-Spiral-Array (DYQSA) mit dem 3D-Drucker fertigte, konnte sie aufgrund von Herstellungsbeschränkungen jedoch nicht für Frequenzen bis zu 14 GHz eingesetzt werden.

Die Entwicklung des DYQSA-Systems für eine optimale UWB-Einspeisung erforderte eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Entwicklungsteam der Universität Carlos III in Madrid und der 3D Systems Application Innovation Group (AIG). Extrem feine Merkmale, niedrige Aufbauwinkel, strenge Toleranzen, spezifische Oberflächenanforderungen und die mechanische Stabilität der Struktur während des Betriebs sind nur einige der Herausforderungen, vor denen das Team stand.

Das Ergebnis: eine zugelassene, anpassungsfähige Lösung zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Radioteleskopen rund um den Globus. Dieser Erfolg führte auch zu einer Empfehlung für eine Metasurface-Antenne komplett aus Metall, über die später in diesem Artikel noch berichtet wird. Das physikalische Design kann an verschiedene Frequenzbereiche angepasst werden. Dieses kann auch für zukünftige Satellitenanwendungen für Wettervorhersagen genutzt werden.

Wegbereiter für niedrigere Frequenzen: Hörner und phasengesteuerte Antennen

Mit größeren Systemen für die additive Metallfertigung werden auch große Einzelhorn- und Hornantennen gefertigt. Die additive Fertigung ermöglicht es außerdem, ehemals getrennte Komponenten als eine einzige monolithische Struktur zu entwerfen und zu bauen. Hierdurch steigt die Leistungsfähigkeit, während die Zeit bis zu einer prüfbaren Komponente im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden erheblich sinkt. Je weniger Flansche für eine vollständige HF-Kette erforderlich sind, desto geringer fallen auch die Gesamtverluste aus.

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Nachhaltig und resilient mit Additiver Fertigung

Metasurface-Antennen: Flachantennen für Kleinsatelliten

Bereits seit Jahren wird am Konzept einer flachen Metasurface-Antenne mit geringer Masse geforscht, die größere herkömmliche Parabolreflektoren ersetzen soll. Im Jahr 2010 wurde dieses Konzept anhand einer gedruckten Leiterplatte experimentell demonstriert und 2016 im Jet-Propulsion-Laboratory (JPL) der NASA mittels Mikrobearbeitung aus Silizium umgesetzt. Dielektrische Materialien sind jedoch nicht in der Lage, die starke Strahlung und die extremen Temperaturen zu überstehen, die im Weltraum herrschen. Deshalb braucht es zwingend eine reine Metalllösung.

Inspiriert vom Erfolg eines Mitarbeiters mit dem Dyson-Quad-Spiral-Array wandte sich der Forscher David González-Ovejero 2017 mit einem Konzeptdesign für die erste Metasurface-Antenne, die komplett aus Metall besteht, an 3D Systems.

In Zusammenarbeit mit dem Jet-Propulsion-Laboratory der NASA und dem CNRS, IETR - UMR 6164 der Universität Rennes – hat 3D Systems mehrere tausend Elemente dieser Metasurface-Antenne (MTS) auf einer einzigen Grundplatte gefertigt. Die geringe Baugröße und Masse machen sie zur idealen Antennenarchitektur für Smallsats und Cubesats. Das Team prüft nun größere Designs und forscht an Möglichkeiten zur weiteren Optimierung des Aperture-Wirkungsgrads. Gleichzeitig arbeitet es an der Verbesserung des Technology Readiness Level (TRL) für zukünftige Fluganwendungen.

Die Zukunft der additiven Fertigung für passive HF

Der stetig wachsende Bedarf an Datenübertragung in der Telekommunikation und bei wissenschaftlichen Missionen ist einer der bestimmenden Trends unserer Zeit. Der Wettlauf zur Senkung der Kosten für den Zugang zum Weltraum führt auch zu neuen Möglichkeiten, wie zum Beispiel Satellitenkonstellationen in erdnahen Umlaufbahnen, die neue Entwicklungsmöglichkeiten für entlegene Winkel der Erde bieten. Die additive Fertigung ist nur eines von vielen verfügbaren Werkzeugen, aber sie wird in den kommenden Jahren sicherlich einen wachsenden Einfluss auf passive HF haben.

* Martijn Vanloffelt arbeitet als Director der Application Innovation Group bei 3D Systems.

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