3D-gedruckte GPS-Antenne von Lockheed Martin

Lockheed Martin zeigt, wie es eine GPS-Antenne mit Hilfe von 3D-Druck hergestellt hat. Die Hardware wurde in einen GPS III-Satelliten als Kommunikationsrelais integriert.

Eine Rundstrahlantenne ist ein tropfenförmiges Bauteil, das es einem Satelliten ermöglicht, mit Bodensystemen auf der Erde zu kommunizieren. Die Antenne ist Teil des Telemetrie-, Verfolgungs- und Kommandosubsystems eines Raumfahrzeugs, das Signale sendet und empfängt.

Die Form der neuen 3D-gedruckten Rundstrahlantenne ähnelt der ihres Vorgängers, aber sie besteht jetzt aus einem einzigen festen Stück und nicht mehr aus mehreren Teilen, die sonst von Hand zusammengelötet werden müssten.

Die neue Antenne weist einzigartige geometrische Merkmale auf, die nur mit additiver Fertigung hergestellt werden können. Diese Merkmale tragen insbesondere zur Verringerung der Fehler bei, die bei den Beschichtungs- und Lötvorgängen des Vorgängermodells der Antenne auftreten.

“Der Prozess ist leicht wiederholbar, was Schwankungen im Bau- und Testprozess ausschließt”, sagte Larry Loh, Leiter der Abteilung Engineering Technology and Advanced Manufacturing bei Lockheed Martin Space. “Durch den Einsatz dieser Technologie sind wir in der Lage, diese Produkte in einem engeren Bereich zu produzieren als die zuvor von Hand gefertigten Teile.”

Dieser 3D-Druckprozess ist viel schneller als frühere Produktionsmethoden, bei denen man Materialien beschaffen, Teile ausschneiden, Hardware von Hand löten und testen musste. Mit dieser Methode wird eine Antenne sofort ausgedruckt und die Montagezeit verkürzt sich.

Diese “Go-Fast”-Produktionsrate senkt auch die Kosten. Lockheed Martin hat durch den Einsatz dieser digitalen Werkzeuge und fortschrittlichen Fertigungsmethoden Kosteneinsparungen von etwa 60 % erzielt.

Qualifizierung der Antenne

Die Entwicklung dieser 3D-gedruckten Rundstrahlantenne hat Jahre gedauert. Lockheed Martin hat den ersten Prototyp im Herbst 2015 hergestellt. Seitdem hat die Antenne einen intensiven Qualifizierungsprozess durchlaufen. Dabei wurde das Produkt extremen Temperaturen und Erschütterungen ausgesetzt, um zu beweisen, dass es in der rauen Umgebung des Weltraums überleben kann.

Die Qualifizierung dieser Antenne war besonders anspruchsvoll, weil sie durch additive Fertigung hergestellt wurde. Das Team musste nicht nur das Verfahren zur Herstellung der Hardware qualifizieren, sondern auch die Art des verwendeten Aluminiums: eine Legierung auf Basis von Aluminium 6061. Sie validierten, dass das Aluminium durchgängig 3D-gedruckt werden kann und jedes Mal die gleichen Hochfrequenzeigenschaften aufweist.

Nach erfolgreicher Qualifizierung wurde die erste Flugeinheit an die Montage-, Test- und Startbetriebe zur Installation geliefert.

Wie geht es mit der Antenne weiter?

Die Rundstrahlantenne ist nun in das GPS III-Raumfahrzeug 10 integriert und wird voraussichtlich 2026 ins All starten. Das qualifizierte Verfahren und Design wird anschließend bei allen künftigen GPS-IIIF-Satelliten zum Einsatz kommen. Die GPS IIIF-Flotte wird über noch mehr Funktionen verfügen, darunter ein Laser-Retroreflektor-Array zur Verbesserung der Genauigkeit, eine neue Such- und Rettungsnutzlast, eine vollständig digitale Navigationsnutzlast und eine regionale militärische Schutzfunktion, die einen bis zu 60-fach höheren Störungsschutz im Einsatzgebiet bietet, um sicherzustellen, dass den US-amerikanischen und verbündeten Streitkräften der Zugang zu GPS in feindlichen Umgebungen nicht verwehrt wird.

“Jetzt, wo die 3D-gedruckte Antenne qualifiziert ist, sind wir zuversichtlich, dass wir sie für die nächsten 10 bis 20 Fahrzeuge drucken können und dass sie ihre 15-jährige Lebensdauer überleben wird”, sagte Andre Trotter, Vizepräsident von Lockheed Martin Space Navigation Systems.

Diese Antenne wird aber nicht nur dem GPS-Programm zugute kommen. Es handelt sich um eine relativ gängige Hardware für andere Missionen, so dass sie auch auf anderen Raumfahrzeugen im Portfolio von Lockheed Martin eingesetzt werden könnte.

“Dies ist der Wegbereiter für eine schnellere Produktion sowohl einfacher Komponenten wie Halterungen als auch komplexer Hardware”, so Trotter. “Das Wichtigste ist, dass wir die Produktionszeit im Vorfeld verkürzen können. Je mehr Hardware wir 3D-gedruckt haben, desto mehr können wir die Vorlaufzeit verkürzen, und dann können wir einfach zusammenbauen, testen und starten.”

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