Nuo XX amžiaus žmonių rasė žavėjosi kosmoso tyrinėjimu ir supratimu, kas yra už Žemės.Pagrindinės organizacijos, tokios kaip NASA ir ESA, buvo kosmoso tyrinėjimo priešakyje, o kitas svarbus šio užkariavimo veikėjas yra 3D spausdinimas.Galimybė greitai ir pigiai gaminti sudėtingas dalis, ši projektavimo technologija tampa vis populiaresnė įmonėse.Tai leidžia sukurti daugybę programų, tokių kaip palydovai, skafandrai ir raketų komponentai.Tiesą sakant, pagal SmarTech, tikimasi, kad privačios kosmoso pramonės priedų gamybos rinkos vertė iki 2026 m. pasieks 2,1 milijardo eurų. Tai kelia klausimą: kaip 3D spausdinimas gali padėti žmonėms tobulėti kosmose?
Iš pradžių 3D spausdinimas daugiausia buvo naudojamas greitam prototipų kūrimui medicinos, automobilių ir aviacijos pramonėje.Tačiau technologijai vis labiau plintant, ji vis dažniau naudojama galutinės paskirties komponentams.Metalo priedų gamybos technologija, ypač L-PBF, leido gaminti įvairius metalus, kurių charakteristikos ir ilgaamžiškumas tinka ekstremalioms erdvės sąlygoms.Aviacijos ir kosmoso komponentų gamyboje taip pat naudojamos kitos 3D spausdinimo technologijos, tokios kaip DED, rišiklio purškimas ir ekstruzijos procesas.Pastaraisiais metais atsirado naujų verslo modelių – tokios įmonės kaip „Made in Space“ ir „Relativity Space“ naudoja 3D spausdinimo technologiją aerokosminiams komponentams kurti.
Reliatyvumo erdvės kūrimo 3D spausdintuvas aviacijos ir kosmoso pramonei
3D spausdinimo technologija aviacijos erdvėje
Dabar, kai juos pristatėme, atidžiau pažvelkime į įvairias 3D spausdinimo technologijas, naudojamas aviacijos ir kosmoso pramonėje.Pirma, reikia pažymėti, kad metalo priedų gamyba, ypač L-PBF, yra plačiausiai naudojama šioje srityje.Šis procesas apima lazerio energijos naudojimą metalo milteliams sluoksnis po sluoksnio lydyti.Jis ypač tinka mažoms, sudėtingoms, tikslioms ir pritaikytoms detalėms gaminti.Orlaivių ir kosmoso gamintojams taip pat gali būti naudingas DED, kuris apima metalinės vielos arba miltelių nusodinimą ir daugiausia naudojamas taisant, dengiant arba gaminant pritaikytas metalines ar keramines dalis.
Priešingai, rišiklio purškimas, nors ir naudingas gamybos greičio ir mažų sąnaudų požiūriu, nėra tinkamas didelio našumo mechaninėms dalims gaminti, nes reikia atlikti po apdorojimo sustiprinimo etapus, kurie padidina galutinio produkto gamybos laiką.Ekstruzijos technologija efektyvi ir kosminėje aplinkoje.Reikėtų pažymėti, kad ne visi polimerai yra tinkami naudoti kosmose, tačiau aukštos kokybės plastikai, tokie kaip PEEK, dėl savo stiprumo gali pakeisti kai kurias metalines dalis.Tačiau šis 3D spausdinimo procesas vis dar nėra labai paplitęs, tačiau naudojant naujas medžiagas gali tapti vertingu kosmoso tyrinėjimo turtu.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) yra plačiai naudojama 3D spausdinimo technologija aviacijos erdvėje.
Kosmoso medžiagų potencialas
Aviacijos ir kosmoso pramonė tiria naujas medžiagas naudodama 3D spausdinimą, siūlydama novatoriškas alternatyvas, kurios gali sutrikdyti rinką.Nors metalai, tokie kaip titanas, aliuminis ir nikelio-chromo lydiniai, visada buvo pagrindinis dėmesys, netrukus dėmesio centre gali būti nauja medžiaga: mėnulio regolitas.Mėnulio regolitas yra Mėnulį dengiantis dulkių sluoksnis, o ESA pademonstravo jo derinimo su 3D spausdinimu pranašumus.Advenit Makaya, vyresnysis ESA gamybos inžinierius, apibūdina mėnulio regolitą kaip panašų į betoną, daugiausia sudarytą iš silicio ir kitų cheminių elementų, tokių kaip geležis, magnis, aliuminis ir deguonis.ESA bendradarbiauja su Lithoz, kad gamintų mažas funkcines dalis, pvz., varžtus ir krumpliaračius, naudojant imituotą mėnulio regolitą, kurio savybės panašios į tikras mėnulio dulkes.
Daugumoje procesų, susijusių su mėnulio regolito gamyba, naudojama šiluma, todėl jis suderinamas su tokiomis technologijomis kaip SLS ir miltelinio klijavimo spausdinimo sprendimai.ESA taip pat naudoja D-Shape technologiją, siekdama gaminti kietas dalis, maišant magnio chloridą su medžiagomis ir sujungiant jį su magnio oksidu, esančiu modeliuojamame mėginyje.Vienas iš reikšmingų šios mėnulio medžiagos pranašumų yra jos smulkesnė spausdinimo skiriamoji geba, leidžianti gaminti detales didžiausiu tikslumu.Ši funkcija gali tapti pagrindiniu pranašumu plečiant būsimų Mėnulio bazių pritaikymo ir gamybos komponentų spektrą.
Mėnulio regolitas yra visur
Taip pat yra Marso regolitas, nurodantis Marse rastą požeminę medžiagą.Šiuo metu tarptautinės kosmoso agentūros negali atkurti šios medžiagos, tačiau tai nesutrukdė mokslininkams tyrinėti jos potencialo tam tikruose aviacijos ir kosmoso projektuose.Tyrėjai naudoja imituotus šios medžiagos pavyzdžius ir derina ją su titano lydiniu, kad gamintų įrankius ar raketų komponentus.Pirminiai rezultatai rodo, kad ši medžiaga suteiks didesnį stiprumą ir apsaugos įrangą nuo rūdijimo ir radiacinės žalos.Nors šios dvi medžiagos turi panašių savybių, Mėnulio regolitas vis dar yra labiausiai išbandyta medžiaga.Kitas privalumas yra tas, kad šias medžiagas galima gaminti vietoje, negabenant žaliavų iš Žemės.Be to, regolitas yra neišsenkantis medžiagų šaltinis, padedantis išvengti trūkumo.
3D spausdinimo technologijos pritaikymas aviacijos ir kosmoso pramonėje
3D spausdinimo technologijos pritaikymas aviacijos ir kosmoso pramonėje gali skirtis priklausomai nuo konkretaus naudojamo proceso.Pavyzdžiui, lazerio miltelių sluoksnio sintezė (L-PBF) gali būti naudojama sudėtingoms trumpalaikėms dalims, pvz., įrankių sistemoms arba erdvės atsarginėms dalims, gaminti.„Launcher“, Kalifornijoje įsikūręs startuolis, naudojo „Velo3D“ safyro metalo 3D spausdinimo technologiją, kad pagerintų savo E-2 skystųjų raketų variklį.Gamintojo procesas buvo naudojamas kuriant indukcinę turbiną, kuri atlieka lemiamą vaidmenį pagreitinant ir varant LOX (skystą deguonį) į degimo kamerą.Turbina ir jutiklis buvo atspausdinti naudojant 3D spausdinimo technologiją ir tada surinkti.Šis naujoviškas komponentas suteikia raketai didesnį skysčio srautą ir didesnę trauką, todėl ji yra esminė variklio dalis
Velo3D prisidėjo prie PBF technologijos naudojimo gaminant E-2 skystųjų raketų variklį.
Priedo gamyba yra plačiai pritaikyta, įskaitant mažų ir didelių konstrukcijų gamybą.Pavyzdžiui, 3D spausdinimo technologijos, tokios kaip „Relativity Space“ Stargate sprendimas, gali būti naudojamos didelėms detalėms, tokioms kaip raketų kuro bakai ir sraigtų mentės, gaminti.Reliatyvumo erdvė tai įrodė sėkmingai pagaminusi „Terran 1“ – beveik visiškai 3D spausdintą raketą, įskaitant kelių metrų ilgio kuro baką.Pirmasis jo pristatymas 2023 m. kovo 23 d. parodė priedų gamybos procesų efektyvumą ir patikimumą.
Ekstruzija pagrįsta 3D spausdinimo technologija taip pat leidžia gaminti dalis naudojant aukštos kokybės medžiagas, tokias kaip PEEK.Iš šio termoplastiko pagaminti komponentai jau buvo išbandyti kosmose ir buvo patalpinti į Rashid roverį vykdant JAE Mėnulio misiją.Šio testo tikslas buvo įvertinti PEEK atsparumą ekstremalioms mėnulio sąlygoms.Jei pavyks, PEEK gali pakeisti metalines dalis tais atvejais, kai metalinės dalys lūžta arba trūksta medžiagų.Be to, PEEK lengvos savybės gali būti naudingos tyrinėjant kosmosą.
3D spausdinimo technologija gali būti naudojama gaminant įvairias dalis aviacijos ir kosmoso pramonei.
3D spausdinimo pranašumai aviacijos ir kosmoso pramonėje
3D spausdinimo pranašumai aviacijos ir kosmoso pramonėje yra patobulinta galutinė dalių išvaizda, palyginti su tradicinėmis statybos technikomis.Austrijos 3D spausdintuvų gamintojo „Lithoz“ generalinis direktorius Johannesas Homa teigė, kad „ši technologija padaro dalis lengvesnes“.Dėl dizaino laisvės 3D spausdinti gaminiai yra efektyvesni ir reikalauja mažiau išteklių.Tai turi teigiamą poveikį dalių gamybos poveikiui aplinkai.Reliatyvumo erdvė parodė, kad priedų gamyba gali žymiai sumažinti komponentų, reikalingų erdvėlaiviams gaminti, skaičių.Raketai „Terran 1“ buvo išsaugota 100 dalių.Be to, ši technologija turi didelių pranašumų gamybos greičiui, nes raketa užbaigiama greičiau nei per 60 dienų.Priešingai, raketos gamyba tradiciniais metodais gali užtrukti keletą metų.
Kalbant apie išteklių valdymą, 3D spausdinimas gali sutaupyti medžiagų ir kai kuriais atvejais netgi leisti perdirbti atliekas.Galiausiai, priedų gamyba gali tapti vertingu turtu mažinant raketų kilimo svorį.Tikslas yra maksimaliai panaudoti vietines medžiagas, tokias kaip regolitas, ir sumažinti medžiagų transportavimą erdvėlaivyje.Tai leidžia vežtis tik 3D spausdintuvą, kuris po kelionės viską gali sukurti vietoje.
„Made in Space“ jau išsiuntė vieną iš savo 3D spausdintuvų į kosmosą išbandyti.
3D spausdinimo erdvėje apribojimai
Nors 3D spausdinimas turi daug privalumų, technologija vis dar yra palyginti nauja ir turi apribojimų.Advenit Makaya teigė: „Viena iš pagrindinių problemų, susijusių su priedų gamyba aviacijos ir kosmoso pramonėje, yra proceso kontrolė ir patvirtinimas.Gamintojai gali įeiti į laboratoriją ir patikrinti kiekvienos dalies stiprumą, patikimumą ir mikrostruktūrą prieš patvirtinimą – procesą, vadinamą neardomuoju testavimu (NDT).Tačiau tai gali užtrukti ir brangiai kainuoti, todėl galutinis tikslas – sumažinti šių testų poreikį.NASA neseniai įkūrė centrą šiai problemai spręsti, daugiausia dėmesio skiriant greitam metalinių komponentų, pagamintų naudojant priedus, sertifikavimui.Centras siekia panaudoti skaitmeninius dvynius, kad patobulintų kompiuterinius gaminių modelius, kurie padės inžinieriams geriau suprasti dalių veikimą ir apribojimus, įskaitant tai, kokį slėgį jos gali atlaikyti prieš lūžimą.Tai darydamas centras tikisi padėti skatinti 3D spausdinimo taikymą aviacijos ir kosmoso pramonėje, todėl jis bus efektyvesnis konkuruojant su tradicinėmis gamybos technologijomis.
Šių komponentų patikimumas ir stiprumas buvo išbandyti visapusiškai.
Kita vertus, patikros procesas skiriasi, jei gamyba vykdoma erdvėje.ESA Advenit Makaya paaiškina: „Yra technika, kuri apima dalių analizę spausdinimo metu“.Šis metodas padeda nustatyti, kurie spaudiniai yra tinkami, o kurie ne.Be to, yra kosmosui skirtų 3D spausdintuvų savaiminės korekcijos sistema, kuri bandoma metalinėse mašinose.Ši sistema gali nustatyti galimas gamybos proceso klaidas ir automatiškai modifikuoti savo parametrus, kad ištaisytų bet kokius detalės defektus.Tikimasi, kad šios dvi sistemos pagerins spausdintų gaminių patikimumą erdvėje.
Siekdamos patvirtinti 3D spausdinimo sprendimus, NASA ir ESA nustatė standartus.Šie standartai apima daugybę bandymų, skirtų dalių patikimumui nustatyti.Jie svarsto miltelių sluoksnio sintezės technologiją ir atnaujina jas kitiems procesams.Tačiau daugelis pagrindinių medžiagų pramonės dalyvių, tokių kaip Arkema, BASF, Dupont ir Sabic, taip pat užtikrina šį atsekamumą.
Gyventi erdvėje?
Tobulėjant 3D spausdinimo technologijai, Žemėje matėme daug sėkmingų projektų, kuriuose ši technologija naudojama statant namus.Tai verčia mus susimąstyti, ar šis procesas gali būti panaudotas artimiausioje ar tolimoje ateityje kuriant gyvenamąsias struktūras erdvėje.Nors šiuo metu gyventi kosmose yra nerealu, namų statyba, ypač Mėnulyje, gali būti naudinga astronautams vykdant kosmines misijas.Europos kosmoso agentūros (ESA) tikslas – Mėnulyje pastatyti kupolus naudojant Mėnulio regolitą, iš kurio galima statyti sienas ar plytas, apsaugančias astronautus nuo radiacijos.Pasak Advenit Makaya iš ESA, mėnulio regolitą sudaro apie 60 % metalo ir 40 % deguonies ir yra būtina astronautų išgyvenimo medžiaga, nes išgaunant iš šios medžiagos jis gali būti begalinis deguonies šaltinis.
NASA skyrė 57,2 milijono dolerių dotaciją ICON už 3D spausdinimo sistemą, skirtą konstrukcijoms ant Mėnulio paviršiaus sukurti, taip pat bendradarbiauja su įmone kurdama Mars Dune Alpha buveinę.Tikslas – išbandyti gyvenimo sąlygas Marse, savanorius gyvendami buveinėje vienerius metus, imituodami sąlygas Raudonojoje planetoje.Šios pastangos yra svarbūs žingsniai siekiant tiesiogiai sukurti 3D spausdintas struktūras Mėnulyje ir Marse, o tai galiausiai galėtų atverti kelią žmonių kosmoso kolonizacijai.
Tolimoje ateityje šie namai galėtų padėti gyvybei išgyventi erdvėje.
Paskelbimo laikas: 2023-06-14