Od 20. stoletja naprej je človeštvo fascinirano z raziskovanjem vesolja in razumevanjem, kaj leži onkraj Zemlje.Velike organizacije, kot sta NASA in ESA, so bile v ospredju raziskovanja vesolja, še en pomemben akter v tem osvajanju pa je 3D-tiskanje.Z zmožnostjo hitre izdelave kompleksnih delov po nizki ceni postaja ta tehnologija oblikovanja vse bolj priljubljena v podjetjih.Omogoča ustvarjanje številnih aplikacij, kot so sateliti, skafandri in komponente raket.Pravzaprav naj bi po podatkih SmarTecha tržna vrednost aditivnega izdelave v zasebni vesoljski industriji do leta 2026 dosegla 2,1 milijarde EUR. To sproža vprašanje: Kako lahko 3D-tiskanje ljudem pomaga biti odlični v vesolju?
Sprva se je 3D-tiskanje uporabljalo predvsem za hitro izdelavo prototipov v medicinski, avtomobilski in vesoljski industriji.Ker pa je tehnologija postala bolj razširjena, se vse pogosteje uporablja za končne komponente.Tehnologija izdelave kovinskih dodatkov, zlasti L-PBF, je omogočila proizvodnjo različnih kovin z lastnostmi in vzdržljivostjo, primernimi za ekstremne vesoljske pogoje.Druge tehnologije 3D-tiskanja, kot so DED, brizganje veziva in postopek iztiskanja, se prav tako uporabljajo pri izdelavi letalskih komponent.V zadnjih letih so se pojavili novi poslovni modeli, pri čemer podjetja, kot sta Made in Space in Relativity Space, uporabljajo tehnologijo 3D-tiskanja za oblikovanje letalskih komponent.
Relativity Space razvija 3D tiskalnik za vesoljsko industrijo
Tehnologija 3D tiskanja v letalstvu
Zdaj, ko smo jih predstavili, si poglejmo podrobneje različne tehnologije 3D tiskanja, ki se uporabljajo v vesoljski industriji.Najprej je treba opozoriti, da je aditivna proizvodnja kovin, zlasti L-PBF, najpogosteje uporabljena na tem področju.Ta postopek vključuje uporabo laserske energije za taljenje kovinskega prahu plast za plastjo.Še posebej je primeren za izdelavo majhnih, kompleksnih, natančnih in prilagojenih delov.Proizvajalci letalstva lahko koristijo tudi DED, ki vključuje nanašanje kovinske žice ali prahu in se v glavnem uporablja za popravilo, premazovanje ali izdelavo kovinskih ali keramičnih delov po meri.
V nasprotju s tem brizganje z vezivom, čeprav je ugodno v smislu proizvodne hitrosti in nizkih stroškov, ni primerno za proizvodnjo visoko zmogljivih mehanskih delov, ker zahteva naknadne korake utrjevanja, ki podaljšajo čas izdelave končnega izdelka.Tehnologija ekstrudiranja je učinkovita tudi v vesoljskem okolju.Treba je opozoriti, da vsi polimeri niso primerni za uporabo v vesolju, vendar lahko visoko zmogljiva plastika, kot je PEEK, zaradi svoje trdnosti nadomesti nekatere kovinske dele.Vendar ta postopek 3D-tiskanja še vedno ni zelo razširjen, vendar lahko z uporabo novih materialov postane dragoceno sredstvo za raziskovanje vesolja.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) je široko uporabljena tehnologija v 3D-tiskanju za vesoljsko vesolje.
Potencial vesoljskih materialov
Letalska industrija s 3D-tiskanjem raziskuje nove materiale in predlaga inovativne alternative, ki bi lahko motile trg.Medtem ko so bile kovine, kot so titan, aluminij in zlitine niklja in kroma, vedno v središču pozornosti, bo morda nov material kmalu ukradel pozornost: lunarni regolit.Lunarni regolit je plast prahu, ki prekriva luno, in ESA je pokazala prednosti njegove kombinacije s 3D tiskanjem.Advenit Makaya, višji proizvodni inženir ESA, opisuje lunarni regolit kot podoben betonu, sestavljen predvsem iz silicija in drugih kemičnih elementov, kot so železo, magnezij, aluminij in kisik.ESA je sodelovala z Lithozom za proizvodnjo majhnih funkcionalnih delov, kot so vijaki in zobniki, z uporabo simuliranega luninega regolita z lastnostmi, podobnimi pravemu luninemu prahu.
Večina procesov, vključenih v proizvodnjo luninega regolita, uporablja toploto, zaradi česar je združljiv s tehnologijami, kot sta SLS in rešitve za tiskanje s prašnim lepljenjem.ESA uporablja tudi tehnologijo D-Shape s ciljem izdelave trdnih delov z mešanjem magnezijevega klorida z materiali in z njegovo kombinacijo z magnezijevim oksidom, ki ga najdemo v simuliranem vzorcu.Ena od pomembnih prednosti tega luninega materiala je njegova višja ločljivost tiskanja, ki omogoča izdelavo delov z najvišjo natančnostjo.Ta lastnost bi lahko postala glavna prednost pri razširitvi obsega aplikacij in proizvodnih komponent za prihodnje lunarne baze.
Lunarni regolit je povsod
Obstaja tudi Marsov regolit, ki se nanaša na podzemni material, najden na Marsu.Trenutno mednarodne vesoljske agencije ne morejo pridobiti tega materiala, vendar to znanstvenikom ni preprečilo raziskovanja njegovega potenciala v nekaterih vesoljskih projektih.Raziskovalci uporabljajo simulirane primerke tega materiala in ga kombinirajo s titanovo zlitino za izdelavo orodij ali komponent raket.Prvi rezultati kažejo, da bo ta material zagotovil večjo trdnost in zaščitil opremo pred rjavenjem in poškodbami zaradi sevanja.Čeprav imata ta dva materiala podobne lastnosti, je lunarni regolit še vedno najbolj testiran material.Druga prednost je, da je te materiale mogoče izdelati na kraju samem, ne da bi bilo treba surovine prevažati z Zemlje.Poleg tega je regolit neizčrpen materialni vir, ki pomaga preprečevati pomanjkanje.
Uporaba tehnologije 3D tiskanja v vesoljski industriji
Uporaba tehnologije 3D-tiskanja v vesoljski industriji se lahko razlikuje glede na uporabljeni postopek.Na primer, lasersko fuzijo prahu (L-PBF) je mogoče uporabiti za izdelavo zapletenih kratkotrajnih delov, kot so sistemi orodij ali vesoljski rezervni deli.Launcher, zagonsko podjetje s sedežem v Kaliforniji, je za izboljšanje svojega raketnega motorja na tekoče tekočino E-2 uporabilo tehnologijo 3D tiskanja iz safirne kovine podjetja Velo3D.Proizvajalčev postopek je bil uporabljen za izdelavo indukcijske turbine, ki ima ključno vlogo pri pospeševanju in potiskanju LOX (tekoči kisik) v zgorevalno komoro.Turbina in senzor sta bila natisnjena s tehnologijo 3D tiskanja in nato sestavljena.Ta inovativna komponenta zagotavlja raketi večji pretok tekočine in večji potisk, zaradi česar je bistveni del motorja
Velo3D je prispeval k uporabi PBF tehnologije pri izdelavi tekočega raketnega motorja E-2.
Aditivna proizvodnja ima široko uporabo, vključno s proizvodnjo majhnih in velikih struktur.Tehnologije 3D-tiskanja, kot je rešitev Stargate podjetja Relativity Space, je mogoče uporabiti za izdelavo velikih delov, kot so rezervoarji za raketno gorivo in lopatice propelerjev.Relativity Space je to dokazal z uspešno proizvodnjo Terran 1, skoraj v celoti 3D-natisnjene rakete, vključno z nekaj metrov dolgim rezervoarjem za gorivo.Njegova prva izstrelitev 23. marca 2023 je pokazala učinkovitost in zanesljivost aditivnih proizvodnih procesov.
Tehnologija 3D-tiskanja, ki temelji na iztiskanju, omogoča tudi izdelavo delov z uporabo visoko zmogljivih materialov, kot je PEEK.Komponente iz te termoplastike so že testirali v vesolju in jih namestili na rover Rashid v okviru lunarne misije ZAE.Namen tega testa je bil oceniti odpornost PEEK na ekstremne razmere na Luni.Če bo uspešen, bo PEEK morda lahko zamenjal kovinske dele v primerih, ko se kovinski deli zlomijo ali je materialov malo.Poleg tega so lahke lastnosti PEEK lahko koristne pri raziskovanju vesolja.
Tehnologijo 3D tiskanja je mogoče uporabiti za izdelavo različnih delov za vesoljsko industrijo.
Prednosti 3D tiskanja v vesoljski industriji
Prednosti 3D-tiskanja v vesoljski industriji vključujejo izboljšan končni videz delov v primerjavi s tradicionalnimi tehnikami gradnje.Johannes Homa, izvršni direktor avstrijskega proizvajalca 3D tiskalnikov Lithoz, je izjavil, da "ta tehnologija naredi dele lažje."Zaradi svobode oblikovanja so 3D tiskani izdelki učinkovitejši in zahtevajo manj sredstev.To pozitivno vpliva na vpliv proizvodnje delov na okolje.Relativity Space je pokazal, da lahko aditivna proizvodnja znatno zmanjša število komponent, potrebnih za izdelavo vesoljskih plovil.Za raketo Terran 1 so prihranili 100 delov.Poleg tega ima ta tehnologija pomembne prednosti pri hitrosti proizvodnje, saj je raketa dokončana v manj kot 60 dneh.Nasprotno pa lahko izdelava rakete po tradicionalnih metodah traja več let.
Kar zadeva upravljanje virov, lahko 3D-tiskanje prihrani materiale in v nekaterih primerih celo omogoči recikliranje odpadkov.Nazadnje lahko aditivna proizvodnja postane dragoceno sredstvo za zmanjšanje vzletne teže raket.Cilj je povečati uporabo lokalnih materialov, kot je regolit, in čim bolj zmanjšati transport materialov znotraj vesoljskih plovil.Tako je mogoče s seboj nositi samo 3D tiskalnik, ki lahko po potovanju vse ustvari na kraju samem.
Made in Space je enega svojih 3D tiskalnikov že poslal v vesolje na testiranje.
Omejitve 3D tiskanja v prostoru
Čeprav ima 3D tiskanje številne prednosti, je tehnologija še relativno nova in ima omejitve.Advenit Makaya je izjavil: "Eden glavnih problemov aditivne proizvodnje v letalski in vesoljski industriji sta nadzor in validacija procesa."Proizvajalci lahko vstopijo v laboratorij in preizkusijo trdnost, zanesljivost in mikrostrukturo vsakega dela pred validacijo, proces, znan kot neporušitveno testiranje (NDT).Vendar je to lahko zamudno in drago, zato je končni cilj zmanjšati potrebo po teh testih.NASA je nedavno ustanovila center za reševanje tega vprašanja, ki se osredotoča na hitro certificiranje kovinskih komponent, izdelanih z aditivno proizvodnjo.Cilj centra je uporaba digitalnih dvojčkov za izboljšanje računalniških modelov izdelkov, ki bodo inženirjem pomagali bolje razumeti delovanje in omejitve delov, vključno s tem, koliko pritiska lahko prenesejo, preden se zlomijo.S tem center upa, da bo pomagal spodbujati uporabo 3D-tiskanja v letalski in vesoljski industriji, zaradi česar bo učinkovitejši pri tekmovanju s tradicionalnimi proizvodnimi tehnikami.
Te komponente so bile podvržene obsežnemu testiranju zanesljivosti in trdnosti.
Po drugi strani pa je postopek preverjanja drugačen, če se proizvodnja izvaja v vesolju.Advenit Makaya iz ESA pojasnjuje: "Obstaja tehnika, ki vključuje analizo delov med tiskanjem."Ta metoda pomaga ugotoviti, kateri tiskani izdelki so primerni in kateri ne.Poleg tega obstaja samokorekturni sistem za 3D tiskalnike, ki so namenjeni vesolju in se testirajo na kovinskih strojih.Ta sistem lahko prepozna morebitne napake v proizvodnem procesu in samodejno spremeni svoje parametre, da popravi morebitne napake v delu.Ta dva sistema naj bi izboljšala zanesljivost tiskanih izdelkov v vesolju.
Za potrditev rešitev 3D tiskanja sta NASA in ESA vzpostavili standarde.Ti standardi vključujejo vrsto testov za ugotavljanje zanesljivosti delov.Razmišljajo o tehnologiji fuzije s prašno posteljo in jo posodabljajo za druge procese.Vendar številni glavni akterji v industriji materialov, kot so Arkema, BASF, Dupont in Sabic, prav tako zagotavljajo to sledljivost.
Živeti v vesolju?
Z napredkom tehnologije 3D tiskanja smo bili priča številnim uspešnim projektom na Zemlji, ki to tehnologijo uporabljajo za gradnjo hiš.Zaradi tega se sprašujemo, ali bi lahko ta postopek v bližnji ali daljni prihodnosti uporabili za gradnjo bivalnih struktur v vesolju.Čeprav je življenje v vesolju trenutno nerealno, je lahko gradnja hiš, zlasti na Luni, koristna za astronavte pri izvajanju vesoljskih misij.Cilj Evropske vesoljske agencije (ESA) je zgraditi kupole na Luni z uporabo luninega regolita, ki se lahko uporablja za gradnjo zidov ali opeke za zaščito astronavtov pred sevanjem.Advenit Makaya iz Ese pravi, da je lunarni regolit sestavljen iz približno 60 % kovine in 40 % kisika in je bistven material za preživetje astronavtov, saj lahko zagotovi neskončen vir kisika, če ga pridobimo iz tega materiala.
NASA je podjetju ICON dodelila nepovratna sredstva v višini 57,2 milijona dolarjev za razvoj sistema 3D tiskanja za gradnjo struktur na luninem površju, s podjetjem pa sodeluje tudi pri ustvarjanju habitata Mars Dune Alpha.Cilj je preizkusiti življenjske razmere na Marsu tako, da prostovoljci eno leto živijo v habitatu in simulirajo razmere na Rdečem planetu.Ta prizadevanja predstavljajo kritične korake k neposredni izdelavi 3D natisnjenih struktur na Luni in Marsu, kar bi sčasoma lahko utrlo pot človeški kolonizaciji vesolja.
V daljni prihodnosti bi te hiše lahko omogočile preživetje življenja v vesolju.
Čas objave: 14. junij 2023