Avanços na Manufatura Aditiva para Espelhos Aeroespaciais

A Manufatura Aditiva (MA) é um processo onde as peças são construídas camada por camada, abrindo novas possibilidades para criar formas complexas que os métodos tradicionais têm dificuldade. Esse método é especialmente útil em aplicações espaciais, como fazer Espelhos leves para satélites. A capacidade de combinar várias partes em uma só pode reduzir o peso e o tempo de montagem, o que é essencial para cortar custos de lançamento.

No entanto, existem desafios ao fazer superfícies ópticas de alta precisão usando MA. Algumas partes podem não ter suporte suficiente durante a usinagem, levando ao que chamam de "efeito de acolchoamento", onde a superfície acaba ficando irregular. Esta pesquisa tem como objetivo examinar como enfrentar esses desafios redesenhando um espelho para um projeto de CubeSat chamado A-DOT.

#Propósito da Pesquisa

O objetivo é projetar dois espelhos que maximizem os benefícios da MA, superando os desafios específicos de impressão e usinagem de formas quase prontas. Um espelho visa reduzir a massa em 50%, enquanto o outro busca uma redução de 70%. Os espelhos serão feitos de alumínio usando uma técnica chamada fusão a laser em leito de pó, e suas superfícies refletivas serão moldadas usando um processo chamado usinagem de diamante de ponto único. Após a produção, os espelhos passarão por testes para verificar a precisão de suas dimensões.

#Entendendo a Manufatura Aditiva

A MA é diferente dos métodos tradicionais como usinagem, soldagem e fundição. Na MA, cada camada é fundida para construir a peça completa. Isso permite a criação de formas muito mais intrincadas do que aquelas normalmente produzidas por métodos convencionais.

Uma técnica específica usada na MA se chama otimização topológica. Essa abordagem analisa como o estresse é distribuído no design, permitindo a remoção de material de áreas onde não é tão necessário. Essa técnica resulta em partes mais leves, mas ainda fortes, promovendo uma melhor eficiência no uso de materiais.

Outra vantagem da MA é a capacidade de combinar vários componentes em uma única peça. Essa simplificação reduz o número de conexões que podem falhar ao longo do tempo e torna a montagem mais rápida e fácil.

#Aplicações na Aeronáutica

A MA encontrou seu caminho em vários setores, sendo a aeronáutica uma das pioneiras. No espaço, o custo de lançar um satélite está diretamente relacionado ao seu peso, tornando componentes mais leves incrivelmente valiosos. Reduzir o número de partes também diminui o risco de falhas durante a operação.

Pesquisas mostraram os benefícios potenciais da MA na fabricação de espelhos leves. Um estudo comparou designs de espelhos tradicionais com aqueles otimizados para MA e encontrou que os designs de MA ofereciam mais vantagens, apesar de enfrentarem seus próprios desafios.

#Estudos Anteriores

Investigações iniciais sobre espelhos leves com MA descobriram que criar um óptico refletor para aplicações de laser de alta energia compartilhava semelhanças com óptica espacial. Um desafio-chave era lidar com as estruturas internas em treliça usadas para deixar os espelhos mais leves.

Outro estudo demonstrou esforços práticos para imprimir e polir um espelho projetado para o espaço, usando vários métodos e materiais para coletar dados sobre quão bem essas superfícies se saíam. Os melhores resultados foram obtidos com um espelho que teve uma redução de peso de cerca de 33%. No entanto, isso foi limitado por um revestimento adicional que, apesar de ser útil para polir, aumentava o peso.

A porosidade, ou pequenos buracos no material causados durante a produção, mostrou afetar a qualidade das superfícies ópticas nas peças de MA. Foram feitas investigações para avaliar como os parâmetros de impressão se relacionam a esse problema e quais estratégias poderiam ser empregadas para minimizar seu impacto.

#Foco da Pesquisa Atual

Essa pesquisa se concentrará em como o conhecimento adquirido dos processos de MA pode ser aplicado cedo na fase de design dos espelhos. Ao enfrentar desafios como a impressão e como montar as peças, o objetivo é garantir que o produto final funcione bem.

#Visão Geral do Design do Espelho

O nanosatélite A-DOT serve como a base para este projeto. O design envolve um pequeno espelho que precisa manter características dimensionais importantes para se encaixar na estrutura existente do satélite. Essas dimensões específicas guiam o processo de design para garantir compatibilidade enquanto se busca minimizar o peso.

#Considerações de Fabricação

Ao fabricar peças metálicas com MA, certos requisitos precisam ser atendidos. O método de fusão a laser em leito de pó permite uma construção precisa das camadas, mas também tem suas limitações. Por exemplo, impressoras de MA geralmente só conseguem produzir recursos de forma precisa acima de um certo tamanho.

Uma vez impressas, as peças precisam ter qualquer material sobrando removido de dentro delas. Recursos que ficam sobre uma borda também devem ser cuidadosamente apoiados para evitar falhas durante a produção.

Após a impressão, as peças precisam ser fixadas para usinagem posterior. O processo de design deve considerar as melhores formas de segurar a peça no lugar durante essa etapa.

#Objetivos de Design

O projeto visa realizar três objetivos principais:

1. Implementar uma estrutura interna em treliça para reduzir o peso total do espelho.
2. Projetar pontos de montagem personalizados que garantam estabilidade durante a usinagem.
3. Consolidar várias partes em uma só para simplificar o design geral.

#Pesquisa sobre Estruturas Internas em Treliça

O processo de selecionar a treliça certa para preencher a área interna do espelho foi o primeiro passo. Diversos tipos de estruturas em treliça foram analisados para determinar qual proporcionaria o melhor equilíbrio entre redução de peso e suporte para a superfície óptica.

A pesquisa considerou fatores como o tipo de treliça, seu tamanho e outras características para encontrar uma solução ideal. Estudos anteriores forneceram orientações sobre quais tipos de treliças tiveram bom desempenho, levando à seleção de certos designs para testes adicionais.

#Experimentação com Tipos de Treliça

Testes iniciais foram realizados usando formas de amostra para simular como diferentes tipos de treliça se comportariam sob pressão. Algumas configurações diferentes foram exploradas para avaliar quão eficazes seriam em manter a forma do espelho enquanto reduziam o peso.

Treliças baseadas em estruturas de gráfico e equações matemáticas foram consideradas. O desempenho foi medido com base em quanto peso poderia ser reduzido enquanto ainda fornecia suporte suficiente.

#Conclusão e Próximos Passos

O principal objetivo deste projeto foi redesenhar e fabricar um espelho para um nanosatélite usando MA, focando na redução de peso e na melhoria da eficiência do design. Três designs diferentes de espelhos foram criados, mostrando uma redução de massa bem-sucedida através da inclusão de treliças internas e características externas otimizadas.

Os designs finais conseguiram reduções de massa variadas, dependendo da abordagem adotada-um design de costas abertas, proporcionando as maiores economias de peso, e dois designs de costas fechadas com diferentes estruturas em treliça.

Uma análise adicional será realizada nos protótipos produzidos para avaliar sua qualidade, incluindo medições de rugosidade da superfície e integridade estrutural geral após os processos de fabricação.

#Trabalho Futuro

Os próximos passos envolverão testes rigorosos e mais refinamentos com base nas descobertas iniciais. Esforços futuros também se concentrarão na usinagem bem-sucedida dos outros designs e na utilização das lições aprendidas na primeira rodada de produção. O objetivo é continuar aprimorando o processo de fabricação para projetos futuros.

Ao empregar técnicas de MA de forma eficaz em aplicações espaciais, o potencial para entregar componentes ópticos de alta qualidade a custos reduzidos pode ser realizado, levando a um melhor desempenho para futuras missões de satélites.