CSEM SA hat mit RUAG Space ein neuartiges AM-Design-Konzept entwickelt, welches die Entwicklung von mechanischen Teilen mit integrierten elektrischen Kabeln und Anschlüssen ermöglicht. Das Konzept ist bei einer SlipRing-Assembly bereits erfolgreich angewandt worden.
Das vorliegende Showcase beschreibt das Ergebnis von AMAR, einem Projekt im Zusammenhang mit der Neugestaltung eines SlipRing Assembly Rotors (SRA-Rotor), basierend auf einem Additive Manufacturing (AM)-Prozess. Dieses Projekt wurde von CSEM SA gemeinsam mit RUAG Space Switzerland Nyon (RSSN) durchgeführt. AMAR wurde vom Schweizer Raumfahrtbüro (SSO) des SERI im Rahmen des Programms "Mesures de Positionnement" finanziert.
Das generelle Ziel des Projekts war es, die Architektur eines der Hauptprodukte von RSSN zu vereinfachen: die SRA. Der Rotorteil der SRA ist eine komplexe Anordnung von hochpräzisen mechanischen Teilen und elektrischen Kabeln, die eine Vielzahl von manuellen Montagevorgängen erfordert. Im Rahmen des Projektes wurde eine neue Architektur und Fertigungsreihenfolge auf Basis von AM entwickelt. Mehrere Prototypen wurden erfolgreich hergestellt und hinsichtlich der Leistungskriterien, die sich aus realen Weltraumanwendungen ableiten, validiert.
Die daraus resultierende Architektur vermeidet vollständig den Einsatz von elektrischen Kabeln und reduziert die Anzahl der Bauteile drastisch, von mehreren Dutzend auf eine einzige Struktur. Das ursprüngliche Konzept, das die Beseitigung von Kabeln im SRA-Rotor ermöglicht, wurde erweitert, so dass es auf andere elektromechanische Komponenten und Baugruppen angewendet werden kann - mit dem gleichen Potenzial für Kostenreduzierung und Zuverlässigkeitsverbesserung.
Die Projektpartner
RUAG Space Switzerland Nyon (RSSN) verfügt über eine grosse Expertise im Bereich SlipRing Assemblies (SRAs) sowie Material- und Prozesswissen. Seit mehr als 20 Jahren entwickelt, fertigt und testet RSSN SRAs für die Raumfahrtindustrie, wo Umwelt-, thermische und mechanische Spezifikationen von entscheidender Bedeutung sind. Die Designer und das Produktionspersonal von RSSN waren an der Produktion von fast jedem der über 100 SRAs beteiligt, die derzeit fliegen, was RSSN eine einzigartige Position für die Entwicklung dieser hochkomplexen Geräte verschafft.
CSEM SA ist eine private Forschungs- und Technologieorganisation, die sich auf Mikrotechnologie, Nanotechnologie, Mikroelektronik, Systemtechnik und Kommunikationstechnologien spezialisiert hat. Ihre Aufgabe ist es, die Wettbewerbsfähigkeit der schweizerischen und europäischen Industrie zu stärken, indem sie angewandte Technologieplattformen entwickelt und auf den Industriesektor überträgt. In diesem Sinne entwickelt CSEM eine Expertise in der Produktentwicklung oder im Re-Design, basierend auf Additive Manufacturing (AM)-Technologien. Kürzlich wurde CSEM von der Europäischen Weltraumorganisation ausgewählt, um einen hochleistungsfähigen, konformen Mechanismus für Raumfahrtanwendungen zu entwickeln.
Das neu designte Produkt
SlipRing Assemblies (SRAs) sind Durchgangsgeräte, deren Aufgabe es ist, elektrische Signale von einem stationären Element zu einem rotierenden Element zu übertragen. SRAs werden auf der Erde für eine Vielzahl von Anwendungen wie Videoüberwachung, Werkzeugmaschinen, Bewegungssimulatoren und viele andere eingesetzt. Im Weltraum sind SRAs wiederkehrende Elemente in Satelliten. Sie werden z.B. in Solar Arrays Drive Mechanisms, Antenna Pointing Mechanisms und Momentum Gyroscopes genutzt.
Die gegenwärtige physikalische Architektur der SRA-Rotoren beruht auf einer sensiblen Fertigungs- und Montagereihenfolge mit vielen Arbeitsgängen. Insbesondere wird jeder leitfähige Ring manuell an ein Kabel gelötet, selbst manuell geführt und mit einer Klemmleiste verbunden. Darüber hinaus bedeutet das Stapeln von leitfähigen und isolierenden Ringen eine lange Toleranzkette, die es zwingend erforderlich macht, für jedes Bauteil eine hohe Maßgenauigkeit zu erreichen.
Die neue Architektur und Fertigungssequenz besteht aus einer monolithischen Struktur aus Aluminium, die mit SLM hergestellt wurde, zu deren wesentlichen Bestandteilen leitfähige Ringe, elektrische Drähte und "Opferbrücken" gehören. Diese Elemente sind alle mit einer "Opferschale" verbunden, die gleichzeitig als Form dient und es ermöglicht, das Innenvolumen mit einem Kunstharz aus zu gießen. Sobald das Harz ausgehärtet ist, fungiert es als isolierende Barriere zwischen den einzelnen Ringen und verleiht den elektrischen Drähten mechanische Stabilität. Die Schale und die Brücken (daher "Opfer") werden dann entfernt, wodurch der Rotor seine endgültige Form und Funktionalität erhält. In Anbetracht der Anzahl von 12 implementierten elektrischen Kanälen umfasst die neue Architektur nur eine SLM-gefertigte Struktur anstelle von mehr als 30 hochpräzisen Komponenten, die normalerweise benötigt werden.
Das Resultat
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das kürzlich patentierte neue Design- und Fertigungskonzept die Entwicklung und Validierung eines kabellosen SRA-Rotors für Weltraumanwendungen ermöglichte. In den kommenden Monaten wird ein neuer Rotorprototyp beschafft und in eine komplette SlipRing-Baugruppe integriert, die in Bezug auf Leistung und Umwelttests (Vibrationen, Stöße, Temperaturwechsel) voll qualifiziert ist. Die Testspezifikationen und Erfolgskriterien werden in Übereinstimmung mit den typischen Weltraumanwendungen definiert, um den Einsatzbereich dieses SRA-Rotors der neuen Generation zu konsolidieren.
Das Design der mechanischen Teils mit eingebauten elektrischen Leitern wird als eine interessante Möglichkeit für die Industrie betrachtet, die Architektur vieler konventioneller Produkte zu überdenken. Die Umsetzung dieses Konzepts wird an der CSEM im Rahmen des Projekts "Die Zukunft der Energiewirtschaft" weiter untersucht.
