सारांश
5वें वार्षिक European Space Agency CubeSat Industry Day में, Orion Additive Manufacturing GmbH ने 3D प्रिंटिंग में हाई-परफ़ॉर्मेंस पॉलिमर के उपयोग के लिए अपनी अभूतपूर्व तकनीक प्रस्तुत की। Orion के मूल थर्मल रेडिएशन हीटिंग सिस्टम के कारण, इसकी 3D प्रिंटेड सामग्रियों के गुणों में अन्य तकनीकों से प्रिंट की गई सामग्रियों की तुलना में उल्लेखनीय सुधार देखा गया है। हाल के परीक्षण परिणामों से पता चला है कि Orion की तकनीक से प्रिंट किए गए पार्ट्स इंजेक्शन-मोल्डेड PEEK पार्ट्स की सैद्धांतिक स्ट्रेंथ के 80% तक पहुँच गए। यह लेख ESA के CubeSat Industry Day में प्रस्तुत Orion के शोध का विवरण देता है। Orion यह प्रदर्शित कर रहा है कि अत्याधुनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीकों और सामग्रियों का उपयोग करके क्यूबसैट की लॉन्च लागत को बहुत अधिक कैसे घटाया जा सकता है।
क्यूबसैट के उत्पादन के दौरान आने वाली चुनौतियाँ
क्यूबसैट के उत्पादन के दौरान आने वाली चुनौतियाँ
क्यूबसैट लघु, हल्के उपग्रह हैं जिनका उपयोग अंतरिक्ष अनुसंधान, पृथ्वी अवलोकन, दूरसंचार और कई अन्य उद्देश्यों के लिए किया जाता है। सामान्यतः इनका जीवनकाल कुछ वर्षों का होता है, जिसके बाद पुनः प्रवेश के समय वायुमंडल में जलकर नष्ट होने देकर इन्हें सेवामुक्त किया जाता है। इनका उत्पादन कम मात्रा में होता है, इनका मूल्य बहुत अधिक होता है, और अक्सर इन्हें इनके एप्लिकेशन के अनुसार अत्यधिक कस्टमाइज़ किया जाता है। चूँकि क्यूबसैट मानव कल्याण के लिए बहुत कम या कोई ख़तरा नहीं पैदा करते, वे एक ऐसे उद्योग का हिस्सा हैं जो अत्यधिक विनियमित नहीं है और इसलिए बहुत अधिक कस्टमाइज़ेशन और नवाचार की अनुमति देता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि क्यूबसैट लॉन्च के दौरान और अंतरिक्ष में रहते हुए अन्य उपग्रहों या हार्डवेयर पर नकारात्मक प्रभाव न डालें, गुणवत्तापूर्ण क्यूबसैट डिज़ाइन विनिर्देशों के एक सख्त समूह का पालन करते हैं, जैसे वे विनिर्देश जो मूल रूप से Cal Poly SLO द्वारा प्रकाशित किए गए थे। यह क्यूबसैट के आकार और वज़न को भी सीमित करता है।
परंपरागत रूप से, क्यूबसैट को घेरने वाला फ्रेम एल्युमिनियम से बनाया जाता है, जो अंतरिक्ष के लिए उपयुक्त सबसे हल्की सामग्रियों में से एक है। क्यूबसैट उद्योग में वज़न एक बहुत महत्वपूर्ण कारक है, क्योंकि लॉन्च लागत मुख्य रूप से आयतन के बजाय वज़न से निर्धारित होती है। पॉलिमर की तुलना में एल्युमिनियम अपेक्षाकृत भारी है, यह धीरे-धीरे विघटित होता है और क्यूबसैट के सेवामुक्त होने पर अधिक अस्थिर अंतरिक्ष मलबा उत्पन्न करता है।
PEEK जैसे हाई-परफ़ॉर्मेंस पॉलिमर से बने फ्रेम अपने हल्केपन, कम घनत्व और उच्च स्ट्रेंथ-टू-वेट अनुपात के कारण एल्युमिनियम फ्रेम के अधिक वांछनीय विकल्प हैं। हालाँकि, ये पॉलिमर अक्सर बहुत महंगे होते हैं, विशेष रूप से पारंपरिक मैन्युफैक्चरिंग के दौरान उत्पन्न अपशिष्ट को ध्यान में रखते हुए। एल्युमिनियम फ्रेम की तरह, ये PEEK विकल्प भी CNC मिलिंग और मशीनिंग से बनाए जाते हैं। ये सबट्रैक्टिव प्रक्रियाएँ हैं, जिनमें कच्चे माल के ब्लॉक से वांछित आकार काटने के लिए बहुत अधिक सामग्री हटानी पड़ती है, जिससे महंगा अपशिष्ट उत्पन्न होता है। संसाधनों की बर्बादी के अलावा, इन पारंपरिक मैन्युफैक्चरिंग विधियों की अन्य सीमाएँ भी हैं: पार्ट्स केवल पूरी तरह ठोस हो सकते हैं, उपलब्ध टूलिंग के आधार पर बारीकियों की सीमाएँ होती हैं, और यह प्रक्रिया कई वेरिएंट या छोटे बैच बनाने के लिए आदर्श नहीं है, क्योंकि उपयोग की जाने वाली मशीनों को हर अलग पार्ट के लिए फिर से कॉन्फ़िगर करना पड़ता है।
हाई-परफ़ॉर्मेंस पॉलिमर के उपयोग की एक वैकल्पिक विधि 3D प्रिंटिंग है, जिसे एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग भी कहा जाता है। क्यूबसैट के उत्पादन के लिए “फ़्यूज़्ड फ़िलामेंट फ़ैब्रिकेशन” (FFF) विधि सबसे आशाजनक है, हालाँकि सेलेक्टिव लेज़र सिंटरिंग (SLS) जैसी कई अन्य लोकप्रिय एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग विधियाँ भी उपलब्ध हैं। FFF प्रक्रियाएँ PEEK, ULTEM या PC सहित थर्मोप्लास्टिक्स की विस्तृत श्रृंखला का उपयोग करके बहुत कम अपशिष्ट के साथ विभिन्न प्रकार के पार्ट्स बना सकती हैं। यह SLS से एक महत्वपूर्ण अंतर है, जिसमें अक्सर कच्चे संसाधनों की बर्बादी होती है और सामग्री का विकल्प बहुत अधिक सीमित होता है।
हाल की तकनीकी प्रगति से पहले, इन हाई-परफ़ॉर्मेंस पॉलिमर से उच्च गुणवत्ता वाले पार्ट्स बनाने के लिए FFF प्रक्रिया का उपयोग करना काफ़ी कठिन था। एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग से बने कई पार्ट्स, विशेष रूप से PEEK से बने पार्ट्स, अक्सर “डीलैमिनेशन” से प्रभावित होते हैं। इसका अर्थ है कि अंतिम आकार बनाने वाली फ़्यूज़ की गई लेयर्स आपस में ठीक से वेल्ड नहीं होतीं। ये दोषपूर्ण PEEK पार्ट्स एक निरंतर संपूर्ण इकाई के बजाय ढीले जुड़े टुकड़ों के ढेर की तरह व्यवहार करते हैं। इन असमान मैकेनिकल गुणों को “एनिसोट्रॉपिक गुण” कहा जाता है और ये कई निर्माताओं के प्रिंटेड पार्ट्स में एक आम समस्या हैं।
एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग से सुधार के अवसर
चूँकि प्रत्येक उत्पादन विधि के लिए पार्ट डिज़ाइन का अपना दृष्टिकोण आवश्यक होता है, इसलिए पारंपरिक मैन्युफैक्चरिंग के लिए डिज़ाइन किए गए क्यूबसैट पार्ट्स को सीधे प्रिंट करना अक्सर कठिन होता है। हालाँकि, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग कुछ अनूठी स्वतंत्रताएँ प्रदान करती है। विशेष रूप से FFF का उपयोग करके, पार्ट्स कहीं अधिक जटिल हो सकते हैं और उन्हें खोखला बनाया जा सकता है। अक्सर मौजूदा पार्ट्स को एक में संयोजित भी किया जा सकता है, जिससे जटिलता कम होती है और असेंबली सरल होती है। इसका एक अच्छा उदाहरण क्यूबसैट में पाया जाने वाला ‘किल स्विच’ है, जो यह सुनिश्चित करता है कि डिवाइस लॉन्च होने तक कार्यशील न हो। वर्तमान में यह कई एल्युमिनियम फ्रेम कंपोनेंट्स, एक स्विच, स्प्रिंग और प्लंजर की एक जटिल असेंबली है। FFF प्रक्रिया द्वारा दी गई डिज़ाइन स्वतंत्रता का उपयोग करके, इसे एक ही फ्रेम पार्ट पर लगे रोलर वाले एक स्टैंडर्ड स्विच तक सीमित किया जा सकता है। |  |
| कई फ्रेम कंपोनेंट्स की आवश्यकता होती है | स्विच, स्प्रिंग और प्लंजर असेंबली |
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| नया डिज़ाइन, जिसमें स्विच एक ही प्रिंटेड पार्ट में एकीकृत है | |
जटिलता कम करने के अलावा, कंपोनेंट के कुछ हिस्सों को खोखला छोड़कर और अधिक वज़न बचाया जा सकता है। आवश्यक स्ट्रेंथ प्रदान करने के लिए पार्ट की बाहरी सतहों की सामग्री सबसे महत्वपूर्ण होती है, जबकि अंदर की सामग्री केवल उन दीवारों को जोड़ने का माध्यम होती है। उस आंतरिक सामग्री का अधिकांश भाग हटाना सामग्री के उपयोग और पार्ट के वज़न को कम करने का एक बेहतरीन तरीका है, और FFF प्रक्रियाओं से यह आसानी से किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, जहाँ SLS से बने कंपोनेंट्स में कैविटी की एक तरफ़ खुली होनी चाहिए या पार्ट्स को पूरी तरह सघन होना चाहिए, वहीं FFF प्रक्रियाएँ पार्ट्स को खोखली आकृतियों को पूरी तरह घेरने की अनुमति देती हैं। अंतरिक्ष में इन पार्ट्स का उपयोग करते समय परिणामी वायु पॉकेट्स कोई समस्या उत्पन्न नहीं करते; आख़िरकार, अंतरिक्ष यानों पर भी अक्सर फ़ोम का उपयोग किया जाता है।
3D प्रिंटेड कंपोनेंट्स के एनिसोट्रॉपिक व्यवहार, यानी डीलैमिनेशन, का सबसे बड़ा कारण इन कंपोनेंट्स को बनाने वाली लेयर्स की कमज़ोर बॉन्डिंग है। अन्य तकनीकों के विपरीत, Orion का थर्मल रेडिएशन हीटिंग सिस्टम लेयर्स को आपस में फ़्यूज़ कर देता है। यह नई तकनीक पूरे ऑब्जेक्ट को गर्म करती है और नई सामग्री जमा करने से पहले पिछली लेयर की ओर थर्मल रेडिएशन निर्देशित करती है। प्रिंट की गई सामग्री की प्रत्येक लेयर को 300 °C तक की चयनात्मक हीटिंग के साथ पिछली लेयर से जोड़ा जाता है। यह सुनिश्चित करता है कि लेयर्स एक मज़बूत और निरंतर पार्ट बनाएँ। इससे अधिक मज़बूत, अधिक आइसोट्रॉपिक 3D प्रिंटेड कंपोनेंट्स बनते हैं जो तुरंत उपयोग के लिए तैयार होते हैं।
अंतरिक्ष के लिए एक 3D प्रिंटर
जब ऊपर बताई गई डिज़ाइन तकनीकों और प्रिंटिंग तकनीकों को संयोजित किया जाता है, तो क्यूबसैट के फ्रेम का द्रव्यमान और उसकी जटिलता दोनों में भारी कमी लाई जा सकती है। नियमित रूप से एल्युमिनियम क्यूबसैट फ्रेम डिज़ाइन और निर्माण करने वाली German Orbital Systems के सहयोग से, Orion के इंजीनियर समान कठोरता और सतह गुणवत्ता बनाए रखते हुए फ्रेम का द्रव्यमान 50% तक कम करने में सफल रहे। ऐसे उपग्रह की लॉन्च लागत को देखते हुए, यह प्रति लॉन्च किए गए क्यूबसैट लगभग €25.000,- की बचत के बराबर है, या प्रति क्यूबसैट 1.33kg की सीमा के भीतर भारी पेलोड की अनुमति देता है।
यह Orion के थर्मल रेडिएशन हीटिंग सिस्टम के कारण संभव हुआ है, क्योंकि इसकी अनूठी तकनीक बेहतर इंटर-लेयर बॉन्डिंग स्ट्रेंथ उत्पन्न करती है। बाहरी परीक्षणों से पता चला है कि स्टैंडर्ड 3D प्रिंटेड टेस्ट बार की टेन्साइल (खिंचाव) स्ट्रेंथ 4 गुना से अधिक बढ़ गई। परीक्षण किए गए PEEK सामग्री नमूनों ने 72MPa की अल्टीमेट टेन्साइल स्ट्रेंथ प्राप्त की; जो PEEK की सैद्धांतिक स्ट्रेंथ का लगभग 80% है!
यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रिंट किए गए क्यूबसैट पार्ट्स अंतरिक्ष में टिके रहें, Orion की A150 मशीन से प्रिंट किए गए पार्ट्स का ESA-ESTEC प्रयोगशालाओं में परीक्षण किया गया। एक सिम्युलेटेड अंतरिक्ष वातावरण में प्रिंटेड कंपोनेंट्स को UV एक्सपोज़र दिया गया, जो सौर स्थिरांकके 3,4 गुना के बराबर था, और वैक्यूम में रखा गया, जैसा क्यूबसैट हर दिन अनुभव करते हैं। इसके बाद -100°C और +100°C के बीच थर्मल वैक्यूम साइक्लिंग की गई। इन सिम्युलेटेड अंतरिक्ष चुनौतियों के संपर्क में आने के बाद भी पार्ट्स के सामग्री गुणों में बहुत कम या कोई बदलाव नहीं हुआ, और कंपोनेंट्स कार्यशील बने रहे।
निष्कर्ष
Orion के थर्मल रेडिएशन हीटिंग सिस्टम के साथ अत्याधुनिक एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रिया का उपयोग करके, क्यूबसैट के फ्रेम का द्रव्यमान 50% तक कम करना संभव है, साथ ही समान स्ट्रेंथ बनाए रखते हुए और पारंपरिक रूप से निर्मित कंपोनेंट्स जैसी ही टॉलरेंस और आवश्यकताओं का पालन करते हुए। इस प्रकार निर्मित पार्ट्स अंतरिक्ष की चुनौतियों को झेलने में सक्षम सिद्ध हुए हैं, और Orion के थर्मल रेडिएशन हीटिंग सिस्टम से प्रिंट किए गए कंपोनेंट्स के अत्यधिक आइसोट्रॉपिक गुणों के कारण, ये प्रति क्यूबसैट लॉन्च लागत को €25.000,- तक कम कर सकते हैं, या कार्यक्षमता, लॉन्च लागत या सुरक्षा से समझौता किए बिना पेलोड के चयन और वज़न में अधिक स्वतंत्रता दे सकते हैं।
