4D Printing for space mechanisms: shape memory high performance polymer-based blends and composites

The development of lightweight and reliable materials for deployable space structures remains a challenge in aerospace engineering. Such materials must withstand demanding thermal and environmental conditions while providing the mechanical performance and actuation capabilities required for controlled deployment. This PhD research investigates the development of polymer blends and composites for the four-dimensional (4D) printing of space mechanisms, focusing on shape-memory behaviour, resistance to space-relevant environmental conditions, and remote activation. The first part of the research investigates polyether ether ketone (PEEK)-polyetherimide (PEI) blends for high-temperature additive manufacturing. Four blend compositions were prepared by melt compounding and processed into filaments for Fused Filament Fabrication (FFF). Their rheological, thermal, morphological, mechanical, and thermomechanical properties were evaluated to understand how composition and processing affect the resulting material properties and shape-memory performance. All four blends could be processed successfully and showed shape fixity and recovery upon thermal activation. Of the compositions studied, the blend containing 70 wt.% PEEK and 30 wt.% PEI showed the most promising overall performance, combining good mechanical properties with effective shape-memory behaviour and structural changes during thermal cycling. The second part examines the suitability of these materials for space applications. Additively manufactured specimens were tested at the European Space Research and Technology Centre of the European Space Agency (ESA-ESTEC) under simulated space-environment conditions. The tests included outgassing measurements, atomic oxygen exposure, and thermal vacuum cycling. The materials showed low outgassing, good resistance to atomic oxygen exposure, and stable dimensions during repeated thermal cycling. Their mechanical properties and shapememory behaviour were also largely retained after testing. These results indicate that PEEKPEI blends could be suitable for deployable structures exposed to the conditions encountered in low Earth orbit. The final part of the research focuses on remote activation by incorporating carbonyl iron particles into the PEEK-PEI matrix. A composite containing 50 wt.% carbonyl iron, 35 wt.% PEEK, and 15 wt.% PEI was prepared by melt compounding and processed using FFF. The addition of carbonyl iron increased the stiffness and tensile strength of the material while maintaining its thermal stability and thermally activated shape-memory behaviour. Microwave irradiation was then used to trigger shape recovery without direct contact. A recovery ratio of 87.77% was achieved after approximately 90 seconds of irradiation at 750 W. This demonstrates the potential of combining mechanical reinforcement and remote actuation in a single 3D-printed composite. In conclusion, this research investigates the development of PEEK-PEI blends and carbonyl iron-filled composites for 4D-printed space mechanisms. By examining material composition, additive manufacturing, environmental resistance, and remote activation, the work provides insight into the factors that influence their performance in potential aerospace applications. The results highlight the potential of these materials for lightweight deployable structures and contribute to the development of polymer-based systems that can be manufactured into a specific shape and activated when required.

Lo sviluppo di materiali leggeri e affidabili per strutture spaziali dispiegabili rappresenta ancora una sfida nell’ambito dell’ingegneria aerospaziale. Tali materiali devono essere in grado di resistere a condizioni termiche e ambientali particolarmente severe, garantendo al contempo le prestazioni meccaniche e le capacità di attuazione necessarie per un dispiegamento controllato. Questa ricerca di dottorato si concentra sullo sviluppo di miscele polimeriche e materiali compositi destinati alla stampa 4D di meccanismi spaziali, con particolare attenzione al comportamento a memoria di forma, alla resistenza alle condizioni ambientali tipiche dello spazio e all’attivazione a distanza. La prima parte della ricerca riguarda lo studio di miscele di poli(eter eter chetone) (PEEK) e poli(eterimmide) (PEI) per la produzione additiva ad alta temperatura. Sono state preparate quattro composizioni mediante miscelazione allo stato fuso (melt compounding) e successivamente trasformate in filamenti per la fabbricazione a filamento fuso (Fused Filament Fabrication, FFF). Le proprietà reologiche, termiche, morfologiche, meccaniche e termomeccaniche dei materiali sono state valutate al fine di comprendere come la composizione e le condizioni di processo influenzino le proprietà finali e le prestazioni a memoria di forma. Tutte e quattro le miscele sono risultate processabili con successo e hanno mostrato capacità di fissaggio e recupero della forma mediante attivazione termica. Tra le composizioni esaminate, la miscela contenente il 70% in peso di PEEK e il 30% in peso di PEI ha evidenziato le prestazioni complessive più promettenti, combinando buone proprietà meccaniche con un efficace comportamento a memoria di forma e variazioni strutturali durante i cicli termici. La seconda parte esamina l’idoneità di questi materiali per applicazioni spaziali. I provini realizzati mediante produzione additiva sono stati sottoposti a test presso il Centro europeo di ricerca e tecnologia spaziale dell’Agenzia spaziale europea (ESA-ESTEC), in condizioni che simulano l’ambiente spaziale. Le prove hanno incluso misure di degassamento, esposizione all’ossigeno atomico e cicli termici in vuoto. I materiali hanno mostrato bassi livelli di degassamento, una buona resistenza all’esposizione all’ossigeno atomico e una stabilità dimensionale durante cicli termici ripetuti. Anche le proprietà meccaniche e il comportamento a memoria di forma sono stati in larga misura preservati dopo le prove. Questi risultati indicano che le miscele PEEK-PEI potrebbero essere adatte alla realizzazione di strutture dispiegabili esposte alle condizioni ambientali tipiche dell’orbita terrestre bassa (Low Earth Orbit, LEO). La parte finale della ricerca si concentra sull’attivazione a distanza attraverso l’incorporazione di particelle di ferro carbonilico nella matrice PEEK-PEI. Un materiale composito contenente il 50% in peso di ferro carbonilico, il 35% in peso di PEEK e il 15% in peso di PEI è stato preparato mediante miscelazione allo stato fuso e successivamente processato tramite FFF. L’aggiunta di ferro carbonilico ha incrementato la rigidezza e la resistenza a trazione del materiale, mantenendone al contempo la stabilità termica e il comportamento a memoria di forma attivato termicamente. È stata quindi utilizzata l’irradiazione a microonde per innescare il recupero della forma senza contatto diretto. Dopo circa 90 secondi di irradiazione a una potenza di 750 W, è stato raggiunto un rapporto di recupero della forma pari all’87,77%. Questo risultato dimostra il potenziale della combinazione tra rinforzo meccanico e attuazione a distanza in un unico materiale composito stampato in 3D. In conclusione, questa ricerca esamina lo sviluppo di miscele PEEK-PEI e materiali compositi caricati con ferro carbonilico per la realizzazione di meccanismi spaziali mediante stampa 4D. Attraverso lo studio della composizione dei materiali, della produzione additiva, della resistenza ambientale e dell’attivazione a distanza, il lavoro fornisce indicazioni sui fattori che ne influenzano le prestazioni in potenziali applicazioni aerospaziali. I risultati evidenziano il potenziale di questi materiali per la realizzazione di strutture dispiegabili leggere e contribuiscono allo sviluppo di sistemi a base polimerica che possono essere fabbricati secondo una geometria specifica e attivati al momento del bisogno.