З 20-га стагоддзя чалавецтва захапляецца даследаваннем космасу і разуменнем таго, што ляжыць за межамі Зямлі. Такія буйныя арганізацыі, як NASA і ESA, знаходзяцца на пярэднім краі касмічных даследаванняў, і яшчэ адным важным гульцом у гэтым заваёве з'яўляецца 3D-друк. Дзякуючы магчымасці хутка вырабляць складаныя дэталі з нізкім коштам, гэтая тэхналогія праектавання становіцца ўсё больш папулярнай у кампаніях. Яна дазваляе ствараць мноства прыкладанняў, такіх як спадарожнікі, скафандры і кампаненты ракет. Фактычна, паводле звестак SmarTech, чакаецца, што рынкавы кошт адытыўнай вытворчасці ў прыватнай касмічнай галіне дасягне 2,1 мільярда еўра да 2026 года. Гэта выклікае пытанне: як 3D-друк можа дапамагчы людзям дасягнуць поспеху ў космасе?
Першапачаткова 3D-друк выкарыстоўваўся ў асноўным для хуткага прататыпавання ў медыцынскай, аўтамабільнай і аэракасмічнай прамысловасці. Аднак, па меры распаўсюджвання гэтай тэхналогіі, яна ўсё часцей выкарыстоўваецца для кампанентаў канчатковага прызначэння. Тэхналогія адытыўнай вытворчасці металаў, асабліва L-PBF, дазволіла вырабляць розныя металы з характарыстыкамі і трываласцю, прыдатнымі для экстрэмальных касмічных умоў. Іншыя тэхналогіі 3D-друку, такія як DED, струменевае нанясенне злучнага рэчыва і экструзія, таксама выкарыстоўваюцца ў вытворчасці аэракасмічных кампанентаў. У апошнія гады з'явіліся новыя бізнес-мадэлі, і такія кампаніі, як Made in Space і Relativity Space, выкарыстоўваюць тэхналогію 3D-друку для праектавання аэракасмічных кампанентаў.
Relativity Space распрацоўвае 3D-прынтар для аэракасмічнай прамысловасці
Тэхналогія 3D-друку ў аэракасмічнай галіне
Цяпер, калі мы іх прадставілі, давайце больш падрабязна разгледзім розныя тэхналогіі 3D-друку, якія выкарыстоўваюцца ў аэракасмічнай прамысловасці. Па-першае, варта адзначыць, што металаапрацоўка з выкарыстаннем адытыўнага вытворчасці, асабліва L-PBF, з'яўляецца найбольш шырока выкарыстоўванай у гэтай галіне. Гэты працэс прадугледжвае выкарыстанне лазернай энергіі для плаўлення металічнага парашка пласт за пластом. Ён асабліва падыходзіць для вытворчасці невялікіх, складаных, дакладных і індывідуальных дэталяў. Вытворцы аэракасмічнай прадукцыі таксама могуць скарыстацца DED, які прадугледжвае нанясенне металічнага дроту або парашка і ў асноўным выкарыстоўваецца для рамонту, пакрыцця або вытворчасці металічных або керамічных дэталяў на заказ.
У адрозненне ад гэтага, струменевае нанясенне злучных рэчываў, хоць і з'яўляецца выгадным з пункту гледжання хуткасці вытворчасці і нізкай кошту, не падыходзіць для вытворчасці высокапрадукцыйных механічных дэталяў, паколькі патрабуе этапаў пасляапрацоўкі і ўмацавання, якія павялічваюць час вырабу канчатковага прадукту. Тэхналогія экструзіі таксама эфектыўная ў касмічным асяроддзі. Варта адзначыць, што не ўсе палімеры падыходзяць для выкарыстання ў космасе, але высокапрадукцыйныя пластыкі, такія як PEEK, могуць замяніць некаторыя металічныя дэталі дзякуючы сваёй трываласці. Аднак гэты працэс 3D-друку ўсё яшчэ не вельмі распаўсюджаны, але ён можа стаць каштоўным актывам для даследаванняў космасу дзякуючы выкарыстанню новых матэрыялаў.
Лазернае напаўненне парашковым слоем (L-PBF) — гэта шырока выкарыстоўваная тэхналогія ў 3D-друку для аэракасмічнай прамысловасці.
Патэнцыял касмічных матэрыялаў
Аэракасмічная прамысловасць даследуе новыя матэрыялы з дапамогай 3D-друку, прапаноўваючы інавацыйныя альтэрнатывы, якія могуць змяніць рынак. Хоць такія металы, як тытан, алюміній і нікель-хромавыя сплавы, заўсёды былі ў цэнтры ўвагі, новы матэрыял можа неўзабаве прыцягнуць увагу: месяцовы рэгаліт. Месяцовы рэгаліт - гэта пласт пылу, які пакрывае Месяц, і ЕКА прадэманстравала перавагі яго спалучэння з 3D-друкам. Адвеніт Макая, старшы інжынер-вытворца ЕКА, апісвае месяцовы рэгаліт як падобны да бетону, які ў асноўным складаецца з крэмнію і іншых хімічных элементаў, такіх як жалеза, магній, алюміній і кісларод. ЕКА супрацоўнічае з Lithoz для вытворчасці невялікіх функцыянальных дэталяў, такіх як шрубы і шасцярні, з выкарыстаннем імітацыі месяцовага рэгаліту з уласцівасцямі, падобнымі да сапраўднага месяцовага пылу.
Большасць працэсаў вытворчасці месяцовага рэгаліту выкарыстоўваюць цяпло, што робіць яго сумяшчальным з такімі тэхналогіямі, як SLS і друк з дапамогай парашковага злучэння. ЕКА таксама выкарыстоўвае тэхналогію D-Shape з мэтай атрымання цвёрдых дэталяў шляхам змешвання хларыду магнію з матэрыяламі і спалучэння яго з аксідам магнію, які змяшчаецца ў мадэляваным узоры. Адной з значных пераваг гэтага месяцовага матэрыялу з'яўляецца яго больш высокая раздзяляльнасць друку, што дазваляе вырабляць дэталі з найвышэйшай дакладнасцю. Гэтая асаблівасць можа стаць асноўным актывам у пашырэнні дыяпазону прымянення і вытворчасці кампанентаў для будучых месяцовых баз.
Месяцовы рэгаліт паўсюль
Існуе таксама марсіянскі рэгаліт, які адносіцца да падземнага матэрыялу, знойдзенага на Марсе. У цяперашні час міжнародныя касмічныя агенцтвы не могуць здабыць 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. Пачатковыя вынікі паказваюць, што гэты матэрыял забяспечыць больш высокую трываласць і абароніць абсталяванне ад іржы і радыяцыйнага пашкоджання. Нягледзячы на тое, што гэтыя два матэрыялы маюць падобныя ўласцівасці, месяцовы рэгаліт усё яшчэ з'яўляецца найбольш правераным матэрыялам. Яшчэ адна перавага заключаецца ў тым, што гэтыя матэрыялы можна вырабляць на месцы без неабходнасці транспарціроўкі сыравіны з Зямлі. Акрамя таго, рэгаліт з'яўляецца невычэрпнай крыніцай матэрыялаў, што дапамагае прадухіліць дэфіцыт.
Прымяненне тэхналогіі 3D-друку ў аэракасмічнай прамысловасці
Прымяненне тэхналогіі 3D-друку ў аэракасмічнай прамысловасці можа адрознівацца ў залежнасці ад канкрэтнага выкарыстоўванага працэсу. Напрыклад, лазернае плаўленне ў парашковым ложку (L-PBF) можа быць выкарыстана для вырабу складаных кароткатэрміновых дэталяў, такіх як інструментальныя сістэмы або касмічныя запасныя часткі. Каліфарнійскі стартап Launcher выкарыстаў тэхналогію 3D-друку Velo3D з сапфіравага металу для ўдасканалення свайго вадкаснага ракетнага рухавіка E-2. Працэс вытворцы быў выкарыстаны для стварэння індукцыйнай турбіны, якая адыгрывае вырашальную ролю ў паскарэнні і падачы LOX (вадкага кіслароду) у камеру згарання. Турбіна і датчык былі надрукаваны з выкарыстаннем тэхналогіі 3D-друку, а затым сабраны. Гэты інавацыйны кампанент забяспечвае ракеце большы паток вадкасці і большую цягу, што робіць яе неад'емнай часткай рухавіка.
Velo3D унесла свой уклад у выкарыстанне тэхналогіі PBF пры вытворчасці вадкаснага ракетнага рухавіка E-2.
Адытыўная вытворчасць мае шырокае прымяненне, у тым ліку для вытворчасці малых і вялікіх канструкцый. Напрыклад, тэхналогіі 3D-друку, такія як рашэнне Relativity Space Stargate, могуць быць выкарыстаны для вырабу буйных дэталяў, такіх як паліўныя бакі ракет і лопасці прапелера. Relativity Space даказала гэта паспяховай вытворчасцю Terran 1, ракеты, амаль цалкам надрукаванай на 3D-прынтары, у тым ліку паліўнага бака даўжынёй у некалькі метраў. Яе першы запуск 23 сакавіка 2023 года 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, вырабленыя з гэтага тэрмапласту, ужо былі пратэставаны ў космасе і былі размешчаны на марсаходзе Rashid у рамках месяцовай місіі ААЭ. Мэтай гэтага выпрабавання была ацэнка ўстойлівасці PEEK да экстрэмальных месяцовых умоў. У выпадку поспеху PEEK можа замяніць металічныя дэталі ў сітуацыях, калі металічныя дэталі ламаюцца або матэрыялы дэфіцытныя. Акрамя таго, лёгкія ўласцівасці PEEK могуць быць каштоўнымі ў касмічных даследаваннях.
Тэхналогія 3D-друку можа выкарыстоўвацца для вырабу 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. Ёханес Хома, генеральны дырэктар аўстрыйскага вытворцы 3D-прынтараў Lithoz, заявіў, што «гэтая тэхналогія робіць дэталі лягчэйшымі». Дзякуючы свабодзе дызайну, вырабы, надрукаваныя з дапамогай 3D-друку, больш эфектыўныя і патрабуюць менш рэсурсаў. Гэта станоўча ўплывае на ўздзеянне вытворчасці дэталяў на навакольнае асяроддзе. Кампанія Relativity Space прадэманстравала, што адытыўная вытворчасць можа значна скараціць колькасць кампанентаў, неабходных для вырабу касмічных караблёў. Для ракеты Terran 1 было зэканомлена 100 дэталяў. Акрамя таго, гэтая тэхналогія мае значныя перавагі ў хуткасці вытворчасці, бо ракета збіраецца менш чым за 60 дзён. У адрозненне ад гэтага, вытворчасць ракеты з выкарыстаннем традыцыйных метадаў можа заняць некалькі гадоў.
Што тычыцца кіравання рэсурсамі, 3D-друк можа эканоміць матэрыялы, а ў некаторых выпадках нават дазваляць перапрацоўваць адходы. Нарэшце, адытыўная вытворчасць можа стаць каштоўным актывам для зніжэння ўзлётнай вагі ракет. Мэта складаецца ў тым, каб максімальна выкарыстоўваць мясцовыя матэрыялы, такія як рэгаліт, і мінімізаваць транспарціроўку матэрыялаў унутры касмічнага карабля. Гэта дазваляе мець пры сабе толькі 3D-прынтар, які можа ствараць усё на месцы пасля палёту.
Кампанія Made in Space ужо адправіла адзін са сваіх 3D-прынтараў у космас для выпрабаванняў.
Абмежаванні 3D-друку ў космасе
Нягледзячы на тое, што 3D-друк мае шмат пераваг, гэтая тэхналогія ўсё яшчэ адносна новая і мае абмежаванні. Адвеніт Макая заявіў: «Адна з галоўных праблем адытыўнай вытворчасці ў аэракасмічнай прамысловасці — гэта кантроль і праверка працэсаў». Вытворцы могуць зайсці ў лабараторыю і праверыць трываласць, надзейнасць і мікраструктуру кожнай дэталі перад праверкай, працэс, вядомы як неразбуральны кантроль (НДК). Аднак гэта можа быць як працаёмкім, так і дарагім, таму канчатковая мэта — скараціць неабходнасць у гэтых выпрабаваннях. NASA нядаўна стварыла цэнтр для вырашэння гэтай праблемы, які спецыялізуецца на хуткай сертыфікацыі 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 да разбурэння. Робячы гэта, цэнтр спадзяецца дапамагчы ў прасоўванні прымянення 3D-друку ў аэракасмічнай прамысловасці, зрабіўшы яго больш эфектыўным у канкурэнцыі з традыцыйнымі вытворчымі тэхналогіямі.
Гэтыя кампаненты прайшлі ўсебаковыя выпрабаванні на надзейнасць і трываласць.
З іншага боку, працэс праверкі адрозніваецца, калі вытворчасць вядзецца ў космасе. Адвеніт Макая з ЕКА тлумачыць: «Існуе методыка, якая прадугледжвае аналіз дэталяў падчас друку». Гэты метад дапамагае вызначыць, якія друкаваныя вырабы падыходзяць, а якія не. Акрамя таго, існуе сістэма самакарэкцыі для 3D-прынтараў, прызначаных для космасу, якая праходзіць выпрабаванні на металічных станках. Гэтая сістэма можа выяўляць патэнцыйныя памылкі ў працэсе вытворчасці і аўтаматычна змяняць яго параметры, каб выправіць любыя дэфекты ў дэталі. Чакаецца, што гэтыя дзве сістэмы павысяць надзейнасць друкаваных вырабаў у космасе.
Для праверкі рашэнняў для 3D-друку NASA і ESA ўстанавілі стандарты. Гэтыя стандарты ўключаюць серыю выпрабаванняў для вызначэння надзейнасці дэталяў. Яны разглядаюць тэхналогію плаўлення ў парашковым ложку і абнаўляюць іх для іншых працэсаў. Аднак многія буйныя гульцы ў галіне матэрыялаў, такія як Arkema, BASF, Dupont і Sabic, таксама забяспечваюць такую адсочвальнасць.
Жыццё ў космасе?
З развіццём тэхналогіі 3D-друку мы бачым 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 далёкай будучыні для будаўніцтва жылых збудаванняў у космасе. Хоць жыццё ў космасе ў цяперашні час нерэальнае, будаўніцтва дамоў, асабліва на Месяцы, можа быць карысным для касманаўтаў пры выкананні касмічных місій. Мэта Еўрапейскага касмічнага агенцтва (ЕКА) - пабудаваць купалы на Месяцы з выкарыстаннем месяцовага рэгаліту, які можна выкарыстоўваць для будаўніцтва сцен або цэглы для абароны касманаўтаў ад радыяцыі. Паводле слоў Адвеніта Макаі з ЕКА, месяцовы рэгаліт складаецца прыкладна з 60% металу і 40% кіслароду і з'яўляецца неабходным матэрыялам для выжывання касманаўтаў, таму што ён можа забяспечыць бясконцую крыніцу кіслароду, калі яго здабыць з гэтага матэрыялу.
NASA выдзеліла кампаніі ICON грант у памеры 57,2 мільёна долараў на распрацоўку сістэмы 3D-друку для будаўніцтва канструкцый 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, правёўшы адзін год на валанцёрах у асяроддзі пражывання, якое імітуе ўмовы на Чырвонай планеце. Гэтыя намаганні з'яўляюцца важнымі крокамі да непасрэднага будаўніцтва 3D-друкаваных канструкцый на Месяцы і Марсе, што ў рэшце рэшт можа пракласці шлях да каланізацыі космасу чалавекам.
У далёкай будучыні такія дамы могуць дазволіць выжыць жыццю ў космасе.
Час публікацыі: 14 чэрвеня 2023 г.
