З 20-га стагоддзя чалавецтва было зачаравана даследаваннем космасу і разуменнем таго, што знаходзіцца за межамі Зямлі.Такія буйныя арганізацыі, як NASA і ESA, былі ў авангардзе даследаванняў космасу, і яшчэ адным важным удзельнікам гэтага заваявання з'яўляецца 3D-друк.З магчымасцю хутка вырабляць складаныя дэталі па нізкай цане гэтая тэхналогія праектавання становіцца ўсё больш папулярнай у кампаніях.Гэта робіць магчымым стварэнне многіх прыкладанняў, такіх як спадарожнікі, скафандры і кампаненты ракет.Фактычна, па дадзеных SmarTech, чакаецца, што да 2026 года рынкавы кошт прыватнай касмічнай прамысловасці па вытворчасці дабавак дасягне 2,1 мільярда еўра. Узнікае пытанне: як 3D-друк можа дапамагчы людзям атрымаць поспех у космасе?
Першапачаткова 3D-друк у асноўным выкарыстоўваўся для хуткага стварэння прататыпаў у медыцынскай, аўтамабільнай і аэракасмічнай прамысловасці.Аднак па меры таго, як тэхналогія стала больш шырокай, яна ўсё часцей выкарыстоўваецца для канчатковых кампанентаў.Тэхналогія вытворчасці металічных дабавак, у прыватнасці L-PBF, дазволіла вырабляць розныя металы з характарыстыкамі і трываласцю, прыдатнымі для экстрэмальных касмічных умоў.Іншыя тэхналогіі 3D-друку, такія як DED, струйная апрацоўка злучнага матэрыялу і працэс экструзіі, таксама выкарыстоўваюцца ў вытворчасці аэракасмічных кампанентаў.У апошнія гады з'явіліся новыя бізнес-мадэлі, калі такія кампаніі, як Made in Space і Relativity Space, выкарыстоўваюць тэхналогію 3D-друку для распрацоўкі аэракасмічных кампанентаў.
Распрацоўка 3D-прынтара Relativity Space для аэракасмічнай прамысловасці
Тэхналогія 3D-друку ў касманаўтыцы
Цяпер, калі мы іх прадставілі, давайце больш падрабязна разгледзім розныя тэхналогіі 3D-друку, якія выкарыстоўваюцца ў аэракасмічнай прамысловасці.Па-першае, варта адзначыць, што вытворчасць металічных дабавак, асабліва L-PBF, найбольш шырока выкарыстоўваецца ў гэтай галіне.Гэты працэс прадугледжвае выкарыстанне энергіі лазера для плаўлення металічнага парашка пласт за пластом.Ён асабліва падыходзіць для вытворчасці невялікіх, складаных, дакладных і індывідуальных дэталяў.Вытворцы аэракасмічнай прамысловасці таксама могуць атрымаць выгаду з DED, які прадугледжвае нанясенне металічнага дроту або парашка і ў асноўным выкарыстоўваецца для рамонту, нанясення пакрыццяў або вытворчасці металічных або керамічных дэталяў на заказ.
Наадварот, струйная апрацоўка злучнага матэрыялу, хоць і з'яўляецца перавагай з пункту гледжання хуткасці вытворчасці і нізкай кошту, не падыходзіць для вытворчасці высокапрадукцыйных механічных дэталяў, таму што патрабуе этапаў умацавання пасля апрацоўкі, якія павялічваюць час вырабу канчатковага прадукту.Тэхналогія экструзіі таксама эфектыўная ў касмічным асяроддзі.Варта адзначыць, што не ўсе палімеры прыдатныя для выкарыстання ў космасе, але высокапрадукцыйныя пластмасы, такія як PEEK, могуць замяніць некаторыя металічныя дэталі дзякуючы сваёй трываласці.Тым не менш, гэты працэс 3D-друку ўсё яшчэ не вельмі распаўсюджаны, але ён можа стаць каштоўным актывам для даследавання космасу з выкарыстаннем новых матэрыялаў.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) - гэта шырока выкарыстоўваная тэхналогія ў 3D-друку для аэракасмічнай прамысловасці.
Патэнцыял касмічных матэрыялаў
Аэракасмічная прамысловасць вывучае новыя матэрыялы з дапамогай 3D-друку, прапаноўваючы інавацыйныя альтэрнатывы, якія могуць парушыць рынак.У той час як такія металы, як тытан, алюміній і сплавы хрому і нікеля, заўсёды былі ў цэнтры ўвагі, новы матэрыял можа неўзабаве скрасці ўвагу: месяцовы рэгаліт.Месяцовы рэгаліт - гэта пласт пылу, які пакрывае Месяц, і ESA прадэманстравала перавагі яго спалучэння з 3D-друкам.Адвеніт Макая, старшы інжынер-тэхнолаг ESA, апісвае месяцовы рэгаліт як падобны на бетон, у асноўным складаецца з крэмнію і іншых хімічных элементаў, такіх як жалеза, магній, алюміній і кісларод.ESA супрацоўнічае з Lithoz для вытворчасці невялікіх функцыянальных дэталяў, такіх як шрубы і шасцярэнькі, з выкарыстаннем імітацыі месяцовага рэгаліту са ўласцівасцямі, падобнымі да сапраўднага месяцовага пылу.
У большасці працэсаў, звязаных з вытворчасцю месяцовага рэгаліту, выкарыстоўваецца цяпло, што робіць яго сумяшчальным з такімі тэхналогіямі, як SLS і рашэнні для друку парашком.ESA таксама выкарыстоўвае тэхналогію D-Shape з мэтай вытворчасці цвёрдых дэталяў шляхам змешвання хларыду магнію з матэрыяламі і злучэння яго з аксідам магнію, знойдзеным у змадэляваным узоры.Адной з істотных пераваг гэтага месяцовага матэрыялу з'яўляецца яго лепшае разрозненне друку, што дазваляе вырабляць дэталі з самай высокай дакладнасцю.Гэтая асаблівасць можа стаць галоўным актывам у пашырэнні дыяпазону прымянення і вытворчасці кампанентаў для будучых месяцовых баз.
Месяцовы рэгаліт паўсюль
Існуе таксама марсіянскі рэгаліт, адносіцца да падземных матэрыялаў, знойдзеных на Марсе.У цяперашні час міжнародныя касмічныя агенцтвы не могуць аднавіць гэты матэрыял, але гэта не перашкодзіла навукоўцам даследаваць яго патэнцыял у некаторых аэракасмічных праектах.Даследчыкі выкарыстоўваюць мадэляваныя ўзоры гэтага матэрыялу і спалучаюць яго з тытанавым сплавам для вытворчасці інструментаў або кампанентаў ракет.Першапачатковыя вынікі паказваюць, што гэты матэрыял забяспечыць больш высокую трываласць і абароніць абсталяванне ад іржаўлення і радыяцыйнага пашкоджання.Хаця гэтыя два матэрыялы маюць падобныя ўласцівасці, месяцовы рэгаліт па-ранейшаму з'яўляецца найбольш правераным матэрыялам.Яшчэ адна перавага заключаецца ў тым, што гэтыя матэрыялы можна вырабляць на месцы без неабходнасці транспартаваць сыравіну з Зямлі.Акрамя таго, рэгаліт з'яўляецца невычэрпнай матэрыяльнай крыніцай, якая дапамагае прадухіліць дэфіцыт.
Прымяненне тэхналогіі 3D-друку ў аэракасмічнай прамысловасці
Прымяненне тэхналогіі 3D-друку ў аэракасмічнай прамысловасці можа адрознівацца ў залежнасці ад канкрэтнага працэсу, які выкарыстоўваецца.Напрыклад, лазернае зліццё парашковага пласта (L-PBF) можа быць выкарыстана для вытворчасці складаных кароткачасовых дэталяў, такіх як інструментальныя сістэмы або касмічныя запасныя часткі.Каліфарнійскі стартап Launcher выкарыстаў тэхналогію 3D-друку Velo3D на сапфіравым метале для паляпшэння свайго вадкаснага ракетнага рухавіка E-2.Працэс вытворцы быў выкарыстаны для стварэння індукцыйнай турбіны, якая адыгрывае вырашальную ролю ў паскарэнні і накіраванні LOX (вадкага кіслароду) у камеру згарання.Турбіна і датчык былі надрукаваны з выкарыстаннем тэхналогіі 3D-друку, а затым сабраны.Гэты інавацыйны кампанент забяспечвае ракету большым патокам вадкасці і большай цягай, што робіць яе важнай часткай рухавіка
Velo3D спрыяла выкарыстанню тэхналогіі PBF пры вытворчасці вадкаснага ракетнага рухавіка Е-2.
Адытыўная вытворчасць мае шырокае прымяненне, уключаючы вытворчасць малых і вялікіх канструкцый.Напрыклад, тэхналогіі 3D-друку, такія як рашэнне Stargate ад Relativity Space, можна выкарыстоўваць для вырабу буйных дэталяў, такіх як ракетныя паліўныя бакі і лопасці прапелера.Relativity Space даказаў гэта праз паспяховую вытворчасць Terran 1, амаль цалкам надрукаванай на 3D-прынтары ракеты з паліўным бакам даўжынёй некалькі метраў.Яго першы запуск 23 сакавіка 2023 г. прадэманстраваў эфектыўнасць і надзейнасць працэсаў адытыўнай вытворчасці.
Тэхналогія 3D-друку на аснове экструзіі таксама дазваляе вырабляць дэталі з выкарыстаннем высокапрадукцыйных матэрыялаў, такіх як PEEK.Кампаненты з гэтага тэрмапластыку ўжо прайшлі выпрабаванні ў космасе і былі размешчаны на марсаходзе Рашыд у рамках месяцовай місіі ААЭ.Мэтай гэтага выпрабавання была ацэнка ўстойлівасці PEEK да экстрэмальных умоў Месяца.У выпадку поспеху PEEK зможа замяніць металічныя дэталі ў сітуацыях, калі металічныя дэталі ламаюцца або матэрыялы недастатковыя.Акрамя таго, лёгкія ўласцівасці PEEK могуць мець значэнне ў даследаванні космасу.
Тэхналогія 3D-друку можа выкарыстоўвацца для вытворчасці розных дэталяў для аэракасмічнай прамысловасці.
Перавагі 3D-друку ў аэракасмічнай прамысловасці
Перавагі 3D-друку ў аэракасмічнай прамысловасці ўключаюць паляпшэнне канчатковага выгляду дэталяў у параўнанні з традыцыйнымі метадамі будаўніцтва.Ёханэс Хома, генеральны дырэктар аўстрыйскага вытворцы 3D-прынтараў Lithoz, заявіў, што «гэтая тэхналогія робіць дэталі лягчэйшымі».Дзякуючы свабодзе дызайну, 3D-друкаваныя прадукты больш эфектыўныя і патрабуюць менш рэсурсаў.Гэта станоўча ўплывае на навакольнае асяроддзе вытворчасці дэталяў.Relativity Space прадэманстравала, што адытыўная вытворчасць можа значна паменшыць колькасць кампанентаў, неабходных для вытворчасці касмічных караблёў.Для ракеты Terran 1 было захавана 100 дэталяў.Акрамя таго, гэтая тэхналогія мае значныя перавагі ў хуткасці вытворчасці, пры гэтым ракета будзе завершана менш чым за 60 дзён.Наадварот, вытворчасць ракеты традыцыйнымі метадамі можа заняць некалькі гадоў.
Што тычыцца кіравання рэсурсамі, 3D-друк можа зэканоміць матэрыялы, а ў некаторых выпадках нават дазволіць перапрацоўваць адходы.Нарэшце, адытыўная вытворчасць можа стаць каштоўным актывам для зніжэння ўзлётнай масы ракет.Мэта складаецца ў тым, каб максымізаваць выкарыстанне мясцовых матэрыялаў, такіх як рэгаліт, і мінімізаваць транспарціроўку матэрыялаў у касмічным караблі.Гэта дазваляе мець пры сабе толькі 3D-прынтар, які можа стварыць усё на месцы пасля паездкі.
Кампанія Made in Space ужо адправіла адзін са сваіх 3D-прынтараў у космас для тэставання.
Абмежаванні 3D-друку ў космасе
Хоць 3D-друк мае шмат пераваг, гэтая тэхналогія ўсё яшчэ адносна новая і мае абмежаванні.Адвеніт Макая заявіў: «Адной з асноўных праблем вытворчасці дабавак у аэракасмічнай прамысловасці з'яўляецца кантроль працэсу і праверка».Вытворцы могуць увайсці ў лабараторыю і праверыць трываласць, надзейнасць і мікраструктуру кожнай часткі перад праверкай, працэс, вядомы як неразбуральны кантроль (NDT).Аднак гэта можа заняць шмат часу і дорага, таму канчатковая мэта складаецца ў тым, каб паменшыць патрэбу ў гэтых тэстах.NASA нядаўна стварыла цэнтр для вырашэння гэтай праблемы, арыентаваны на хуткую сертыфікацыю металічных кампанентаў, вырабленых метадам адытыўнай вытворчасці.Цэнтр імкнецца выкарыстоўваць лічбавыя двайнікі для паляпшэння камп'ютэрных мадэляў прадуктаў, што дапаможа інжынерам лепш зразумець прадукцыйнасць і абмежаванні дэталяў, у тым ліку тое, які ціск яны могуць вытрымаць перад разломам.Паступаючы такім чынам, цэнтр спадзяецца садзейнічаць прасоўванню прымянення 3D-друку ў аэракасмічнай прамысловасці, што робіць яго больш эфектыўным у канкурэнцыі з традыцыйнымі метадамі вытворчасці.
Гэтыя кампаненты прайшлі комплексныя выпрабаванні на надзейнасць і трываласць.
З іншага боку, працэс праверкі адрозніваецца, калі вытворчасць ажыццяўляецца ў космасе.Адвеніт Макая з ESA тлумачыць: "Існуе метад, які прадугледжвае аналіз дэталяў падчас друку".Гэты метад дапамагае вызначыць, якая друкаваная прадукцыя падыходзіць, а якая не.Акрамя таго, існуе сістэма самакарэкцыі для 3D-прынтараў, прызначаных для космасу, якія тэстуюцца на металічных машынах.Гэтая сістэма можа ідэнтыфікаваць магчымыя памылкі ў працэсе вытворчасці і аўтаматычна змяняць яго параметры, каб выправіць любыя дэфекты ў дэталі.Чакаецца, што гэтыя дзве сістэмы павысяць надзейнасць друкаванай прадукцыі ў космасе.
Для праверкі рашэнняў 3D-друку NASA і ESA ўстанавілі стандарты.Гэтыя стандарты ўключаюць шэраг выпрабаванняў для вызначэння надзейнасці дэталяў.Яны разглядаюць тэхналогію парашковага плаўлення і абнаўляюць яе для іншых працэсаў.Аднак многія буйныя гульцы ў індустрыі матэрыялаў, такія як Arkema, BASF, Dupont і Sabic, таксама забяспечваюць такую магчымасць адсочвання.
Жыць у космасе?
З развіццём тэхналогіі 3D-друку мы бачылі шмат паспяховых праектаў на Зямлі, якія выкарыстоўваюць гэтую тэхналогію для будаўніцтва дамоў.Гэта прымушае нас задумацца, ці можа гэты працэс быць выкарыстаны ў бліжэйшай ці аддаленай будучыні для будаўніцтва жылых структур у космасе.Хаця жыць у космасе ў цяперашні час нерэальна, будаўніцтва дамоў, асабліва на Месяцы, можа быць карысным для касманаўтаў пры выкананні касмічных місій.Мэта Еўрапейскага касмічнага агенцтва (ESA) - пабудаваць купалы на Месяцы з выкарыстаннем месяцовага рэгаліту, які можна выкарыстоўваць для ўзвядзення сцен або цэглы для абароны касманаўтаў ад радыяцыі.Па словах Адвеніта Макая з ESA, месяцовы рэгаліт складаецца прыкладна з 60% металу і 40% кіслароду і з'яўляецца важным матэрыялам для выжывання касманаўтаў, таму што ён можа быць бясконцай крыніцай кіслароду, калі яго здабываць з гэтага матэрыялу.
NASA выдзеліла ICON грант у памеры 57,2 мільёна долараў на распрацоўку сістэмы 3D-друку для пабудовы структур на паверхні Месяца, а таксама супрацоўнічае з кампаніяй у стварэнні асяроддзя пражывання Mars Dune Alpha.Мэта складаецца ў тым, каб праверыць умовы жыцця на Марсе, прымусіўшы добраахвотнікаў жыць у асяроддзі пражывання на працягу аднаго года, імітуючы ўмовы на Чырвонай планеце.Гэтыя намаганні ўяўляюць сабой важныя крокі да непасрэднай канструкцыі 3D-друкаваных структур на Месяцы і Марсе, якія ў канчатковым выніку могуць пракласці шлях для каланізацыі чалавекам космасу.
У аддаленай будучыні гэтыя дамы могуць дазволіць жыццю выжыць у космасе.
Час публікацыі: 14 чэрвеня 2023 г