Nuo XX amžiaus žmonija žavisi kosmoso tyrinėjimais ir supratimu, kas slypi už Žemės ribų. Tokios didelės organizacijos kaip NASA ir ESA buvo kosmoso tyrinėjimų priešakyje, o dar vienas svarbus šio užkariavimo dalyvis yra 3D spausdinimas. Turėdama galimybę greitai ir pigiai pagaminti sudėtingas dalis, ši projektavimo technologija tampa vis populiaresnė įmonėse. Ji leidžia kurti daugybę pritaikymų, tokių kaip palydovai, kostiumai ir raketų komponentai. Iš tiesų, pasak „SmarTech“, tikimasi, kad privačios kosmoso pramonės pridėtinės gamybos rinkos vertė iki 2026 m. pasieks 2,1 mlrd. 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 bei kosmoso pramonės šakose. Tačiau, technologijai tapus vis labiau paplitusiai, ji vis dažniau naudojama galutinės paskirties komponentams. Metalo priedų gamybos technologija, ypač L-PBF, leido gaminti įvairius metalus, kurių savybės ir ilgaamžiškumas tinka ekstremalioms kosmoso sąlygoms. Kitos 3D spausdinimo technologijos, tokios kaip DED, rišiklio purškimas ir ekstruzijos procesas, taip pat naudojamos aviacijos ir kosmoso komponentų gamyboje. Pastaraisiais metais atsirado naujų verslo modelių, kai tokios įmonės kaip „Made in Space“ ir „Relativity Space“ naudoja 3D spausdinimo technologiją aviacijos ir kosmoso komponentams projektuoti.
„Relativity Space“ kuria 3D spausdintuvą aviacijos ir kosmoso pramonei
3D spausdinimo technologija aviacijos ir kosmoso pramonėje
Dabar, kai jas pristatėme, atidžiau panagrinėkime įvairias 3D spausdinimo technologijas, naudojamas aviacijos ir kosmoso pramonėje. Pirmiausia reikėtų pažymėti, kad metalo adityvinė gamyba, ypač L-PBF, yra plačiausiai naudojama šioje srityje. Šis procesas apima lazerio energijos naudojimą metalo miltelių lydymui sluoksnis po sluoksnio. Tai ypač tinka mažų, sudėtingų, tikslių ir individualiai pritaikytų detalių gamybai. Aviacijos ir kosmoso gamintojai taip pat gali pasinaudoti DED, kuris apima metalinės vielos ar miltelių nusodinimą ir daugiausia naudojamas metalinėms ar keraminėms detalėms remontuoti, dengti ar gaminti pagal individualius poreikius.
Priešingai, rišiklio purškimas, nors ir pranašesnis dėl gamybos greičio ir mažų sąnaudų, netinka didelio našumo mechaninėms detalėms gaminti, nes tam reikalingi papildomo apdorojimo stiprinimo etapai, kurie padidina galutinio produkto gamybos laiką. Ekstruzijos technologija taip pat veiksminga kosmoso aplinkoje. Reikėtų pažymėti, kad ne visi polimerai tinka naudoti kosmose, tačiau didelio našumo plastikai, tokie kaip PEEK, dėl savo stiprumo gali pakeisti kai kurias metalines detales. Tačiau šis 3D spausdinimo procesas vis dar nėra labai plačiai paplitęs, tačiau naudojant naujas medžiagas jis gali tapti vertingu turtu kosmoso tyrinėjimams.
Lazerinis miltelinio sluoksnio suliejimas (L-PBF) yra plačiai naudojama 3D spausdinimo technologija aviacijos ir kosmoso pramonėje.
Kosminių medžiagų potencialas
Aviacijos ir kosmoso pramonė tyrinėja naujas medžiagas, naudodama 3D spausdinimą, siūlydama novatoriškas alternatyvas, kurios gali sutrikdyti rinką. Nors tokie metalai kaip titanas, aliuminis ir nikelio-chromo lydiniai visada buvo pagrindinis dėmesys, netrukus dėmesio centre gali atsidurti nauja medžiaga: Mėnulio regolitas. Mėnulio regolitas yra dulkių sluoksnis, dengiantis Mėnulį, o ESA pademonstravo jo derinimo su 3D spausdinimu privalumus. ESA vyresnysis gamybos inžinierius Advenitas Makaya 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 pagamintų mažas funkcines dalis, tokias kaip varžtai ir krumpliaračiai, naudodama imituotą Mėnulio regolitą, kurio savybės panašios į tikras Mėnulio dulkes.
Dauguma Mėnulio regolito gamybos procesų naudoja šilumą, todėl jis suderinamas su tokiomis technologijomis kaip SLS ir miltelinio rišimo spausdinimo sprendimai. ESA taip pat naudoja D formos technologiją, siekdama gaminti kietas dalis sumaišydama magnio chloridą su medžiagomis ir sujungdama jį su magnio oksidu, esančiu modeliuojamame pavyzdyje. Vienas iš reikšmingų šios Mėnulio medžiagos privalumų yra didesnė spausdinimo raiška, leidžianti gaminti dalis didžiausiu tikslumu. Ši savybė galėtų tapti pagrindiniu privalumu plečiant pritaikymo spektrą ir gaminant komponentus būsimoms Mėnulio bazėms.
Mėnulio regolitas yra visur
Taip pat yra Marso regolitas, reiškiantis Marse randamą požeminę medžiagą. Šiuo metu tarptautinės kosmoso agentūros negali išgauti šios medžiagos, tačiau tai nesutrukdė mokslininkams tyrinėti jos potencialo tam tikruose aviacijos ir kosmoso projektuose. Tyrėjai naudoja imituotus šios medžiagos pavyzdžius ir derina juos su titano lydiniu, kad gamintų įrankius ar raketų komponentus. Pradiniai rezultatai rodo, kad ši medžiaga užtikrins didesnį stiprumą ir apsaugos įrangą nuo rūdijimo ir radiacijos daromos žalos. Nors šios dvi medžiagos turi panašias savybes, Mėnulio regolitas vis dar yra labiausiai išbandyta medžiaga. Kitas privalumas yra tas, kad šias medžiagas galima gaminti vietoje, nereikia transportuoti žaliavų iš Žemės. Be to, regolitas yra neišsenkantis medžiagų šaltinis, padedantis išvengti trūkumo.
3D spausdinimo technologijos taikymas aviacijos ir kosmoso pramonėje
3D spausdinimo technologijos taikymas aviacijos ir kosmoso pramonėje gali skirtis priklausomai nuo konkretaus naudojamo proceso. Pavyzdžiui, lazerinis miltelinis sulydymas (L-PBF) gali būti naudojamas sudėtingoms trumpalaikėms dalims, tokioms kaip įrankių sistemos ar kosmoso atsarginės dalys, gaminti. Kalifornijoje įsikūrusi startuolių įmonė „Launcher“ panaudojo „Velo3D“ safyro metalo 3D spausdinimo technologiją, kad patobulintų savo E-2 skystojo kuro raketinį variklį. Gamintojo procesas buvo panaudotas kuriant indukcinę turbiną, kuri atlieka lemiamą vaidmenį greitinant ir varant LOX (skystą deguonį) į degimo kamerą. Turbina ir jutiklis buvo atspausdinti naudojant 3D spausdinimo technologiją ir surinkti. Šis novatoriškas komponentas suteikia raketai didesnį skysčio srautą ir didesnę trauką, todėl jis yra esminė variklio dalis.
„Velo3D“ prisidėjo prie PBF technologijos panaudojimo gaminant skystojo kuro raketinį variklį E-2.
Adityvioji gamyba turi platų pritaikymo spektrą, įskaitant mažų ir didelių konstrukcijų gamybą. Pavyzdžiui, 3D spausdinimo technologijos, tokios kaip „Relativity Space“ „Stargate“ sprendimas, gali būti naudojamos didelių dalių, tokių kaip raketų kuro bakai ir sraigtų mentės, gamybai. „Relativity Space“ tai įrodė sėkmingai pagamindama „Terran 1“ – beveik visiškai 3D spausdintuvu atspausdintą raketą, įskaitant kelių metrų ilgio kuro baką. Pirmasis jos paleidimas 2023 m. kovo 23 d. pademonstravo adityviosios gamybos procesų efektyvumą ir patikimumą.
Ekstruzijos pagrindu sukurta 3D spausdinimo technologija taip pat leidžia gaminti dalis naudojant didelio našumo medžiagas, tokias kaip PEEK. Iš šio termoplasto pagaminti komponentai jau buvo išbandyti kosmose ir buvo patalpinti „Rashid“ marsaeigyje kaip JAE Mėnulio misijos dalis. Šio bandymo tikslas buvo įvertinti PEEK atsparumą ekstremalioms Mėnulio sąlygoms. Jei bandymas bus sėkmingas, PEEK gali pakeisti metalines dalis tais atvejais, kai metalinės dalys lūžta arba trūksta medžiagų. Be to, lengvas PEEK svoris gali būti vertingas kosmoso tyrinėjimuose.
3D spausdinimo technologija gali būti naudojama gaminant įvairias detales aviacijos ir kosmoso pramonei.
3D spausdinimo privalumai aviacijos ir kosmoso pramonėje
3D spausdinimo privalumai aviacijos ir kosmoso pramonėje apima geresnę galutinę detalių išvaizdą, palyginti su tradiciniais gamybos būdais. Johannesas Homa, Austrijos 3D spausdintuvų gamintojos „Lithoz“ generalinis direktorius, teigė, kad „ši technologija padaro detales lengvesnes“. Dėl dizaino laisvės 3D spausdinti gaminiai yra efektyvesni ir reikalauja mažiau išteklių. Tai daro teigiamą poveikį detalių gamybos poveikiui aplinkai. „Relativity Space“ įrodė, kad adityvioji gamyba gali žymiai sumažinti erdvėlaivių gamybai reikalingų komponentų skaičių. Raketai „Terran 1“ buvo sutaupyta 100 dalių. Be to, ši technologija turi didelių pranašumų gamybos greičio srityje – raketa pagaminama per mažiau nei 60 dienų. Tuo tarpu raketos gamyba naudojant tradicinius metodus gali užtrukti kelerius metus.
Kalbant apie išteklių valdymą, 3D spausdinimas gali sutaupyti medžiagų, o kai kuriais atvejais netgi leisti perdirbti atliekas. Galiausiai, pridėtinė gamyba gali tapti vertingu privalumu mažinant raketų kilimo svorį. Tikslas – maksimaliai padidinti vietinių medžiagų, tokių kaip regolitas, naudojimą ir sumažinti medžiagų transportavimą erdvėlaiviuose. Tai leidžia nešiotis tik 3D spausdintuvą, kuris po kelionės gali sukurti viską vietoje.
„Made in Space“ jau išsiuntė vieną iš savo 3D spausdintuvų į kosmosą bandymams.
3D spausdinimo erdvėje apribojimai
Nors 3D spausdinimas turi daug privalumų, ši technologija vis dar yra gana nauja ir turi apribojimų. Advenitas Makaya teigė: „Viena iš pagrindinių pridėtinės gamybos problemų aviacijos ir kosmoso pramonėje yra proceso kontrolė ir patvirtinimas.“ Gamintojai gali patekti į laboratoriją ir prieš patvirtinimą išbandyti kiekvienos dalies stiprumą, patikimumą ir mikrostruktūrą – šis procesas vadinamas neardomaisiais bandymais (NDT). Tačiau tai gali būti daug laiko ir pinigų reikalaujantis procesas, todėl galutinis tikslas – sumažinti šių bandymų poreikį. NASA neseniai įsteigė centrą šiai problemai spręsti, daugiausia dėmesio skiriant greitam metalinių komponentų, pagamintų naudojant pridėtinę gamybą, sertifikavimui. Centro tikslas – naudoti skaitmeninius dvynius, siekiant patobulinti kompiuterinius gaminių modelius, kurie padės inžinieriams geriau suprasti dalių veikimą ir apribojimus, įskaitant tai, kokį slėgį jos gali atlaikyti prieš sulūždamos. Taip centras tikisi padėti skatinti 3D spausdinimo taikymą aviacijos ir kosmoso pramonėje, kad jis būtų veiksmingesnis konkuruojant su tradicinėmis gamybos technologijomis.
Šie komponentai buvo kruopščiai patikrinti dėl patikimumo ir stiprumo.
Kita vertus, jei gamyba atliekama kosmose, tikrinimo procesas skiriasi. ESA atstovas Advenitas Makaya paaiškina: „Yra technika, apimanti detalių analizę spausdinimo metu.“ Šis metodas padeda nustatyti, kurie spausdinti gaminiai yra tinkami, o kurie ne. Be to, yra savireguliavimo sistema, skirta 3D spausdintuvams, skirtiems naudoti kosmose, ir ji yra testuojama metalo apdirbimo staklėse. 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 kosmose.
Siekdamos patvirtinti 3D spausdinimo sprendimus, NASA ir ESA nustatė standartus. Šie standartai apima seriją bandymų, skirtų detalių patikimumui nustatyti. Jie atsižvelgia į miltelinio lydymo technologiją ir atnaujina juos kitiems procesams. Tačiau daugelis pagrindinių medžiagų pramonės žaidėjų, tokių kaip „Arkema“, BASF, „Dupont“ ir „Sabic“, taip pat užtikrina šį atsekamumą.
Gyvenimas kosmose?
Tobulėjant 3D spausdinimo technologijai, Žemėje matėme daug sėkmingų projektų, kuriuose ši technologija naudojama namams statyti. Tai verčia susimąstyti, ar šis procesas artimiausiu metu galėtų būti naudojamas gyvenamoms struktūroms kosmose statyti. Nors gyvenimas kosmose šiuo metu yra nerealus, namų statyba, ypač Mėnulyje, gali būti naudinga astronautams vykdant kosmines misijas. Europos kosmoso agentūros (ESA) tikslas – Mėnulyje statyti kupolus naudojant Mėnulio regolitą, kuris gali būti naudojamas sienoms ar plytoms statyti, siekiant apsaugoti astronautus nuo radiacijos. Pasak ESA atstovo Advenito Makayos, Mėnulio regolitas sudarytas iš maždaug 60 % metalo ir 40 % deguonies ir yra būtina medžiaga astronautų išgyvenimui, nes, išgautas iš šios medžiagos, jis gali tapti neišsenkančiu deguonies šaltiniu.
NASA skyrė 57,2 mln. dolerių dotaciją ICON bendrovei, skirtai sukurti 3D spausdinimo sistemą, skirtą konstrukcijoms Mėnulio paviršiuje statyti, ir bendradarbiauja su šia bendrove kurdama „Mars Dune Alpha“ buveinę. Tikslas – išbandyti gyvenimo sąlygas Marse, savanoriams metus gyvenant buveinėje, imituojant sąlygas Raudonojoje planetoje. Šios pastangos yra labai svarbūs žingsniai siekiant tiesiogiai konstruoti 3D spausdintas konstrukcijas Mėnulyje ir Marse, kurios galiausiai galėtų atverti kelią žmonių kosmoso kolonizacijai.
Tolimoje ateityje šie namai galėtų sudaryti sąlygas gyvybei išlikti kosmose.
Įrašo laikas: 2023 m. birželio 14 d.
