I bracci robotici gemelli lavorano insieme come parte di un progetto per costruire quello che sarà il più grande, l'oggetto più complesso mai stampato in 3D in titanio:una versione di prova del "banco ottico" di 3 m di diametro nel cuore dell'osservatorio a raggi X Athena dell'ESA.

Il primo braccio robotico multiasse costruisce ogni nuovo strato di metallo usando un laser per fondere la polvere di titanio. Il secondo braccio robotico quindi elimina immediatamente eventuali imperfezioni utilizzando uno strumento di fresatura raffreddato criogenicamente. Il banco stesso è posizionato su una piattaforma girevole di 3,4 m di diametro che si muove lentamente.

"L'ESA ha collaborato con il Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology in Germania per questa attività esplorativa, " spiega l'ingegnere dei materiali e dei processi ESA Johannes Gumpinger. "Il progetto definitivo del banco ottico di Athena è ancora da decidere, ma se sarà costruito in titanio allora le sue dimensioni e complessità sono tali che non potrebbe essere costruito in nessun altro modo."

A causa del lancio nel 2031, La missione Athena dell'ESA sonderà da 10 a 100 volte più in profondità nel cosmo rispetto alle precedenti missioni a raggi X, per osservare il più caldo, oggetti celesti ad alta energia.

La missione richiede una tecnologia ottica a raggi X completamente nuova, con pile di "moduli specchio" disposti con cura per catturare e focalizzare i raggi X ad alta energia.

Il banco ottico allinea e fissa circa 750 moduli specchio in una struttura complessa con molte tasche profonde che si assottigliano fino a un'altezza massima di 30 cm. La sua forma complessiva deve essere precisa fino a una scala di poche decine di micrometri o millesimi di centimetro.

"La complessità del banco ottico richiede che ogni aggiunta venga fresata subito dopo la stampa, " commenta André Seidel, supervisionare il progetto presso l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia dei materiali e delle travi. "Qualsiasi modifica successiva potrebbe rischiare di introdurre contaminazioni, indebolendo il titanio di qualità spaziale.

"Allo stesso modo, l'intero processo è stato progettato per ridurre al minimo ogni rischio di contaminazione. La polvere di titanio viene trascinata nel laser utilizzando il gas nobile argon che impedisce anche qualsiasi contaminazione con l'aria. E lo strumento di fresatura viene mantenuto freddo utilizzando anidride carbonica liquida che evapora mentre si riscalda, prevenendo qualsiasi deposito dannoso sulla superficie metallica appena posata."

I sensori di precisione rilevano immediatamente eventuali elementi fuori tolleranza per la fresatura o riparazioni più estese, inclusa la fresatura per la ristampa.

Finora sono stati prodotti segmenti più piccoli, a seguire un banco ottico dimostratore di 1,5 m di diametro. Si prevede che la produzione del banco da 3 m a grandezza naturale richiederà circa un anno.

"Sarà un compito enorme, impiegando molto tempo ed energie, " aggiunge Johannes. "Ma se ci riusciamo, sarà il più grande oggetto in titanio mai stampato in 3D e il processo sarà disponibile per produrre altre parti di grandi dimensioni, potenzialmente in altri metalli."

Il progetto è supportato dal Technology Development Element dell'ESA come parte dell'iniziativa Advanced Manufacturing dell'Agenzia, sfruttando nuovi materiali e processi per il settore spaziale.

Il mese scorso più di 150 esperti provenienti da tutta Europa si sono incontrati presso il centro tecnico dell'ESA nei Paesi Bassi per condividere gli ultimi risultati dei progetti ESA Advanced Manufacturing su argomenti tra cui la stampa 3D e gli ultimi materiali compositi, nonché la saldatura ad attrito.