Fraunhofer IAP: Formgedächtnispolymere reduzieren Gewicht von Satellitenscharnieren um 93 Prozent

Satellitenmodell mit leichten, schnell herstellbaren Scharnieren und Hold-Down-and-Release-Mechanismen (HDRMs) – beide aus Formgedächtnispolymer (FGP) – zur kontrollierten Freigabe und aktiven Entfaltung der Solarpaneele - (Bild: Fraunhofer IAP / Jadwiga Galties).

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP hat im Forschungsprojekt "AM-Space" thermoplastische Polyurethane mit Formgedächtniseigenschaften für additiv gefertigte Satellitenkomponenten entwickelt. Daraus hergestellte Scharniere zur Entfaltung von Solarpaneelen wiegen rund 1,4 Gramm und sind nach Institutsangaben etwa 93 Prozent leichter als bislang eingesetzte Scharniere. Ergänzend entstanden thermisch aktivierbare Halte- und Freigabemechanismen (Hold-Down-and-Release-Mechanismen, HDRM).

Thermisch ausgelöste Bewegung im Bauteil
Die Polymere werden zunächst in eine temporäre Form gebracht und behalten diese nach einer thermomechanischen Programmierung bei. Durch Erwärmung kehren sie aufgrund des Einweg-Formgedächtniseffekts in ihre ursprüngliche Form zurück. So lässt sich die Bewegung zum Ausklappen der Solarpaneele unmittelbar in das Bauteil integrieren. HDRM fixieren die Paneele während des Satellitenstarts und geben sie nach thermischer Aktivierung frei; die Scharniere übernehmen anschließend die Entfaltung.

Für die additive Fertigung verarbeitete das Fraunhofer IAP die Polymere zu Druckfilamenten. Unter kontrollierten Laborbedingungen entfaltete sich ein Scharnier bei einer Erwärmung von 23 auf 140 Grad Celsius innerhalb von 60 Sekunden. Der 3D-Druck eines Scharniers oder eines HDRM dauert jeweils rund 15 Minuten; für die anschließende Programmierung werden etwa 30 Minuten benötigt. Bei einer 4D-Druckvariante wird die Bewegungsfunktion bereits im Druckprozess eingestellt. Auf diese Weise lassen sich HDRM in rund fünf Minuten ohne gesonderten Programmierschritt herstellen.

Scharniere aus Formgedächtnispolymeren ermöglichen die Entfaltung von Solarpaneelen. Die Bewegungsfunktion wird direkt in die additiv gefertigten Bauteile integriert - (Bild: Fraunhofer IAP / Jadwiga Galties).

Projektpartner entwickeln Solarpaneel-Substrate und Elektronik
Neben dem Fraunhofer IAP waren die Orion Additive Manufacturing GmbH, die German Orbital Systems GmbH und das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM beteiligt. Orion entwickelte ein Drucksystem für endloscarbonfaserverstärktes Polyetheretherketon (PEEK) und fertigte Solarpaneel-Substrate für einen 1U-CubeSat aus einem laserstrukturierbaren PEEK-Werkstoff. Das Fraunhofer IZM erzeugte durch Laser-Direkt-Strukturierung und Metallisierung elektrische Leiterbahnen auf den dreidimensionalen Substraten, bestückte sie mit Elektronik und untersuchte die Zuverlässigkeit unter anderem mittels Vibrations- und Thermoschocktests. German Orbital Systems übernahm Leiterplattendesign, Elektronik und Heizelemente sowie die Systemintegration und Funktionsprüfung.

Hold-Down-and-Release-Mechanismen (HDRMs) aus Formgedächtnispolymer halten Bauteile während des Starts sicher in Position und geben sie im Orbit gezielt frei - (Bild: Fraunhofer IAP / Jadwiga Galties).

Laborprüfungen abgeschlossen, Weltraumerprobung ausstehend
Die Scharniere und Halte- und Freigabemechanismen wurden unter Reinraumbedingungen, bei Temperaturwechseln und in ersten Vakuumversuchen getestet. Eines der entwickelten Formgedächtnispolymere bestand zudem eine Ausgasungsprüfung beim spanischen Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA). Eine Erprobung unter realen Weltraumbedingungen liegt bislang nicht vor. German Orbital Systems hat Interesse an entsprechenden Versuchen in einem Folgeprojekt bekundet; darüber laufen Gespräche.

Das von Oktober 2023 bis September 2026 durchgeführte Projekt wurde über die Investitionsbank des Landes Brandenburg mit Kofinanzierung der Europäischen Union sowie über die Investitionsbank Berlin gefördert. Das Fraunhofer IAP stellt die Entwicklungen auf der Formnext 2026 in Frankfurt am Main auf dem Stand des Fraunhofer Kompetenzfeldes Additive Fertigung und auf der Space Tech Expo Europe in Bremen vor.

Formnext 2026, Frankfurt a.M., 17.-20. November 2026, Halle 11.0, Stand D31

Weitere Informationen:
www.iap.fraunhofer.de, www.orion-am.com, www.orbitalsystems.de, www.izm.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Potsdam-Golm

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