Avances en la Fabricación Aditiva para Espejos Aeroespaciales

La Fabricación Aditiva (AM) es un proceso donde las piezas se construyen capa por capa, lo que abre nuevas posibilidades para crear formas complejas que los métodos de fabricación tradicionales no pueden manejar bien. Este método es especialmente útil en aplicaciones espaciales, como hacer Espejos ligeros para satélites. La capacidad de combinar múltiples partes en una sola puede reducir el peso y el tiempo de ensamblaje, lo cual es esencial para bajar los costos de lanzamiento.

Sin embargo, hay desafíos al hacer superficies ópticas de alta precisión usando AM. Algunas partes pueden no tener suficiente soporte durante el mecanizado, lo que lleva a lo que se llama el "efecto de acolchado," donde la superficie termina desigual. Esta investigación busca examinar cómo abordar estos desafíos rediseñando un espejo para un proyecto de CubeSat llamado A-DOT.

#Propósito de la Investigación

El objetivo es diseñar dos espejos que maximicen los beneficios de AM mientras superan los desafíos específicos de imprimir y mecanizar formas casi netas. Un espejo busca reducir la masa en un 50%, mientras que el otro busca una reducción del 70%. Los espejos se fabricarán en aluminio usando una técnica conocida como fusión en lecho de polvo láser, y sus Superficies Reflectantes se moldearán con un proceso llamado torneado de diamante de un solo punto. Después de la producción, los espejos se someterán a pruebas para ver cuán precisas son sus dimensiones.

#Entendiendo la Fabricación Aditiva

AM es diferente de los métodos tradicionales como el mecanizado, la soldadura y la fundición. En AM, cada capa se fusiona para construir la pieza completa. Esto permite crear formas que son mucho más intrincadas que las producidas típicamente a través de métodos de fabricación convencionales.

Una técnica específica usada en AM se llama optimización topológica. Este enfoque analiza cómo se distribuye el estrés en el diseño, permitiendo remover material de áreas donde no se necesita tanto. Esta técnica da como resultado piezas más ligeras pero aún fuertes, promoviendo una mejor eficiencia en el uso de materiales.

Otra ventaja de AM es la capacidad de combinar múltiples componentes en una sola pieza. Esta simplificación reduce el número de conexiones que pueden fallar con el tiempo y hace que el ensamblaje sea más rápido y fácil.

#Aplicaciones en Aeroespacial

AM ha encontrado su camino en varios sectores, siendo la aeroespacial un adoptador temprano. En el espacio, el costo de lanzar un satélite está directamente relacionado con su peso, lo que hace que los componentes más ligeros sean increíblemente valiosos. Reducir el número de partes también disminuye el riesgo de fallas durante la operación.

Investigaciones han mostrado los beneficios potenciales de AM en la fabricación de espejos ligeros. Un estudio comparó diseños de espejos tradicionales con aquellos optimizados para AM y encontró que los diseños de AM ofrecían más ventajas a pesar de enfrentar sus propios desafíos.

#Estudios Previos

Las primeras investigaciones sobre espejos ligeros a través de AM encontraron que crear un óptico reflectante para aplicaciones de láser de alta energía compartía similitudes con la óptica espacial. Un desafío clave era lidiar con las estructuras internas en rejillas que se usan para hacer los espejos más ligeros.

Otro estudio demostró esfuerzos prácticos para imprimir y pulir un espejo diseñado para el espacio, utilizando varios métodos y materiales para recopilar datos sobre cómo funcionaban estas superficies. Los mejores resultados se obtuvieron con un espejo que tuvo una reducción de peso de aproximadamente el 33%. Sin embargo, esto se limitó por un recubrimiento adicional que, aunque útil para pulir, aumentaba el peso.

La porosidad, o pequeños agujeros en el material causados durante la producción, ha demostrado afectar la calidad de las superficies ópticas en partes de AM. Se han realizado investigaciones para evaluar cómo los parámetros de impresión se relacionan con este problema y qué estrategias se podrían emplear para minimizar su impacto.

#Enfoque de Investigación Actual

Esta investigación se centrará en cómo el conocimiento adquirido de los procesos de AM puede aplicarse temprano en la fase de diseño de espejos. Al abordar desafíos como el paso a través de la impresión y cómo montar las partes, el objetivo es asegurar que el producto final funcione bien.

#Visión General del Diseño del Espejo

El nanosatélite A-DOT sirve como la base para este proyecto. El diseño implica un pequeño espejo que necesita mantener características dimensionales importantes para encajar en la estructura existente del satélite. Estas dimensiones específicas guían el proceso de diseño para asegurar compatibilidad mientras se busca minimizar el peso.

#Consideraciones de Fabricación

Al hacer piezas de metal con AM, se deben cumplir ciertos requisitos. El método de fusión en lecho de polvo láser permite una construcción precisa de capas, pero también tiene limitaciones. Por ejemplo, los impresores de AM generalmente solo pueden producir con precisión características por encima de un cierto tamaño.

Una vez impresas, las partes necesitan tener cualquier material sobrante removido de su interior. Las características que sobresalen también deben ser cuidadosamente soportadas para evitar fallas durante la producción.

Después de la impresión, las partes deben asegurarse para un mecanizado adicional. El proceso de diseño debe considerar las mejores formas de mantener la pieza en su lugar durante esta etapa.

#Objetivos de Diseño

El proyecto apunta a lograr tres objetivos principales:

1. Implementar una estructura interna de rejilla para reducir el peso total del espejo.
2. Diseñar puntos de montaje personalizados que aseguren estabilidad durante el mecanizado.
3. Consolidar múltiples partes en una para simplificar el diseño general.

#Investigación sobre la Rejilla Interna

El proceso de seleccionar la rejilla adecuada para llenar el área interna del espejo fue el primer paso. Se analizaron varios tipos de Estructuras de rejilla para determinar cuál proporcionaría el mejor equilibrio entre reducción de peso y soporte para la superficie óptica.

La investigación consideró factores como el tipo de rejilla, su tamaño y otras características para encontrar una solución óptima. Estudios previos ofrecieron orientación sobre qué tipos de rejillas funcionaron bien, llevando a la selección de ciertos diseños para pruebas adicionales.

#Experimentación con Tipos de Rejilla

Se realizaron pruebas iniciales usando formas de muestra para simular cómo se comportarían diferentes tipos de rejilla bajo presión. Se exploraron algunas configuraciones diferentes para evaluar cuán efectivas serían para mantener la forma del espejo mientras se reduce el peso.

Se consideraron rejillas basadas tanto en estructuras gráficas como en ecuaciones matemáticas. El rendimiento se midió en función de cuánto peso se podía reducir mientras se proporcionaba un soporte suficiente.

#Conclusión y Próximos Pasos

El objetivo principal de este proyecto fue rediseñar y fabricar un espejo para un nanosatélite usando AM, centrando en reducir peso y mejorar la eficiencia del diseño. Se crearon tres diseños diferentes de espejo, mostrando una exitosa reducción de masa a través de la inclusión de rejillas internas y características externas optimizadas.

Los diseños finales lograron diferentes reducciones de masa, dependiendo del enfoque tomado-un diseño de parte trasera abierta, proporcionando el mayor ahorro de peso, y dos diseños de parte trasera cerrada con diferentes estructuras de rejilla.

Se realizará un análisis adicional sobre los prototipos producidos para evaluar su calidad, incluyendo mediciones de rugosidad de superficie e integridad estructural general tras los procesos de fabricación.

#Trabajo Futuro

Los próximos pasos implicarán pruebas rigurosas y más refinamientos basados en hallazgos iniciales. Los esfuerzos futuros también se centrarán en el mecanizado exitoso de los otros diseños y utilizar lecciones aprendidas de la primera ronda de producción. El objetivo es seguir mejorando el proceso de fabricación para proyectos futuros.

Al emplear técnicas de AM de manera efectiva en aplicaciones espaciales, se puede realizar el potencial de ofrecer componentes ópticos de alta calidad a costos reducidos, llevando a un mejor rendimiento para futuras misiones satelitales.