MIT 3D-print elektrospraymotor voor de ruimtevaart

Ingenieurs van MIT hebben de eerste volledig in 3D geprinte, druppel-emitterende elektrospraymotor gemaakt. Deze kan snel en voor een fractie van de kosten van traditionele stuwraketten worden geproduceerd.

Een elektrospraymotor is een voortstuwingssysteem dat gebruikmaakt van het principe van elektrospray om stuwkracht te genereren. Geladen deeltjes of druppels worden door een sterk elektrisch veld versneld en weggeslingerd. Hierdoor ontstaat een terugslagkracht en kan een ruimtevaartuig worden voortgestuwd. Ze worden onder meer gebruikt in CubeSats (satellieten ter grootte van een melkpak), omdat ze brandstof efficiënter gebruiken dan conventionele chemische raketten.

Traditioneel worden ze vervaardigd in dure en tijdrovende cleanroom-productieprocessen voor halfgeleiders, waardoor de mogelijke toepassingen en het aantal fabrikanten beperkt zijn. Om dit probleem op te lossen, hebben MIT-ingenieurs nu een elektrospraymotor ontwikkeld die volledig met behulp van 3D-printing is vervaardigd. Het apparaat kan snel en voor een fractie van de kosten van traditionele stuwraketten worden geproduceerd en maakt gebruik van commercieel verkrijgbare 3D-printmaterialen en -technieken. De apparaten zouden zelfs volledig in de ruimte kunnen worden gemaakt.

Door een modulair proces te ontwikkelen dat twee 3D-printmethoden combineert, overwonnen de onderzoekers de uitdagingen die gepaard gaan met de fabricage van een complex apparaat dat bestaat uit macro- en microschaalcomponenten die naadloos moeten samenwerken.

Productieproces en materialen

Omdat de apparaten langdurig worden blootgesteld aan het drijfgas EMI-BF4, zijn de duurzaamheid en chemische stabiliteit van de printgrondstof van cruciaal belang. Om de compatibiliteit van het materiaal te beoordelen, werd de oppervlakteruwheid gemeten voor en na langdurige blootstelling aan EMI-BF4 op kleine, plat geprinte monsters met behulp van een Keyence VK-X250 laser scanning confocale microscoop (Keyence, Itasca, IL, VS). De rekenkundig gemiddelde waarden, weergegeven in tabel 1 en 2 van hoofdstuk 3, geven aan dat er gedurende twee maanden geen significante veranderingen zijn opgetreden. Dit toont aan dat het materiaal bestand is tegen degradatie door blootstelling aan EMI-BF4.

Zowel het verdeelblok als de emittermodules werden vervaardigd met behulp van vatfotopolymerisatie, hoewel er gebruik werd gemaakt van andere 3D-printtechnologieën. De verdeelblokken werden in 3D geprint met behulp van een Asiga MAX X27 DLP-printer (Asiga, Alexandria, Australië) met een lichtengine van 1920 bij 1080 pixels en een pixelgrootte van 27 µm. De gebruikte printgrondstof was SolusProto (Junction 3D, Santa Clarita, CA, VS), verrijkt met fotoabsorber 2-nitrofenylfenylsulfide (TCI America, Portland, OR, VS) om de verticale resolutie te verbeteren. Een DLP-printer polymeriseert elke laag in een enkele projectie door de hoeken van microspiegelarrays aan te passen die overeenkomen met elke pixel. Hierdoor is de printer geschikt voor het snel printen van mesoschaalonderdelen. Het printen van het spruitstukblok met een Asiga MAX X27 duurde ongeveer 2 uur.

De emittermodules werden 3D-geprint met een NanoOne 1000 2PP-printer (UpNano, Wenen, Oostenrijk). Deze printer maakt gebruik van een 780 nm, fs-gepulste laser om de hars selectief te polymeriseren binnen een klein brandpuntsvolume (voxel). De laser scant lijn voor lijn om het eenheidsoppervlak in te vullen dat overeenkomt met het gezichtsveld. Vervolgens wordt het podium horizontaal verplaatst om verschillende locaties te bestrijken. Vervolgens wordt het proces laag voor laag herhaald om de structuur op te bouwen.

Om het printproces te versnellen werd de grove modus gebruikt met een 10X objectieflens, een laaghoogte van 5 µm, een in-plane lijnafstand van 4,2 µm, een laservermogen van 80 mW en een infillsnelheid van 600 mm s−1. In de grove modus wordt de voxelbreedte in horizontale richting vergroot, waardoor sneller kan worden geprint zonder dat dit ten koste gaat van de verticale resolutie. Dankzij deze instellingen kon elke emittermodule in ongeveer 3 uur worden geprint met behulp van de UpPhoto-hars (UpNano, Wenen, Oostenrijk). Bovendien werden de emittermodules geprint in voxelmodus, waarbij het onderdeel wordt vertaald in voxels en alleen de voxels worden geprint die volledig door het onderdeel worden ingenomen. Deze printmethode zorgt ervoor dat de kanalen gemakkelijker kunnen worden gereinigd, omdat te kleine kanaalafmetingen worden vermeden.

De onderzoekers benadrukken dat de DLP-printer die wordt gebruikt om het verdeelstukblok te maken, niet in staat is om de kleine kenmerken die aanwezig zijn in de emittermodules te produceren; in plaats daarvan kan het op betrouwbare wijze kenmerken een orde van grootte groter maken.