Twin robotarmen werken samen als onderdeel van een project om te bouwen wat de grootste, meest complexe object ooit 3D-geprint in titanium:een testversie van de 'optische bank' met een diameter van 3 m in het hart van ESA's Athena-röntgenobservatorium.

De eerste meerassige robotarm bouwt elke nieuwe laag metaal op met behulp van een laser om titaniumpoeder te smelten. De tweede robotarm snijdt vervolgens onmiddellijk eventuele onvolkomenheden weg met behulp van een cryogeen gekoeld freesgereedschap. De bank zelf staat op een langzaam bewegende draaitafel met een diameter van 3,4 m.

"ESA heeft voor deze verkennende activiteit samengewerkt met het Duitse Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology, " legt ESA materiaal- en procesingenieur Johannes Gumpinger uit. "Het definitieve ontwerp van Athena's optische bank moet nog worden beslist, maar als het in titanium wordt gebouwd, dan is de omvang en complexiteit zodanig dat het op geen enkele andere manier kan worden gebouwd."

Vanwege de lancering in 2031, ESA's Athena-missie zal 10 tot 100 keer dieper in de kosmos tasten dan eerdere röntgenmissies, om de heetste te observeren, hoogenergetische hemellichamen.

De missie vereist een geheel nieuwe röntgenopticatechnologie, met stapels 'spiegelmodules' die zorgvuldig zijn gerangschikt om röntgenstralen met hoge energie op te vangen en te focussen.

De optische bank lijnt en bevestigt ongeveer 750 spiegelmodules in een complexe structuur met veel diepe vakken die taps toelopen tot een maximale hoogte van 30 cm. De algehele vorm moet nauwkeurig zijn tot op een schaal van enkele tientallen micrometers – of duizendsten van een centimeter.

"De complexiteit van de optische bank vereist dat elke toevoeging onmiddellijk na het afdrukken wordt gefreesd, " zegt André Seidel, toezicht houden op het project bij het Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology. "Elke latere wijziging kan het risico lopen op besmetting, verzwakking van het titanium van ruimtekwaliteit.

"Evenzo, het hele proces is ontworpen om het risico op besmetting tot een minimum te beperken. Het titaniumpoeder wordt in de laser geveegd met behulp van het edelgas argon dat ook elke verontreiniging met lucht voorkomt. En het freesgereedschap wordt koel gehouden met behulp van vloeibare kooldioxide die verdampt als het opwarmt, het voorkomen van schadelijke afzetting op het vers gelegde metalen oppervlak."

Precisiesensoren detecteren onmiddellijk elementen die buiten de tolerantie vallen voor frezen of uitgebreidere reparaties - inclusief wegfrezen voor herdrukken.

Tot nu toe zijn kleinere segmenten vervaardigd, met een optiekbank met een diameter van 1,5 m om te volgen. De productie van de full-scale 3-m-bank zal naar verwachting ongeveer een jaar duren.

"Het wordt een enorme opgave, kost veel tijd en energie, " voegt Johannes eraan toe. "Maar als het ons lukt, het zal het grootste titanium object zijn dat ooit 3D geprint is - en het proces zal beschikbaar zijn om andere grote onderdelen te vervaardigen, mogelijk in andere metalen."

Het project wordt ondersteund door ESA's Technology Development Element als onderdeel van het Advanced Manufacturing-initiatief van het Agentschap, het benutten van nieuwe materialen en processen voor de ruimtevaartsector.

Vorige maand kwamen meer dan 150 experts uit heel Europa bijeen in het technische hart van ESA in Nederland om de nieuwste resultaten te delen van ESA Advanced Manufacturing-projecten over onderwerpen als 3D-printen en de nieuwste composietmaterialen, evenals wrijvingsroerlassen.