Починаючи з 20-го століття, людство було зачаровано дослідженням космосу та розумінням того, що лежить за межами Землі.Такі великі організації, як NASA та ESA, були в авангарді дослідження космосу, і ще одним важливим гравцем у цьому завоюванні є 3D-друк.Завдяки можливості швидкого виробництва складних деталей за низькими витратами ця технологія проектування стає все більш популярною в компаніях.Це робить можливим створення багатьох застосувань, таких як супутники, скафандри та компоненти ракет.Насправді, за даними SmarTech, очікується, що ринкова вартість приватного виробництва космічних добавок досягне 2,1 мільярда євро до 2026 року. Це викликає запитання: як 3D-друк може допомогти людям досягти успіху в космосі?
Спочатку 3D-друк в основному використовувався для швидкого прототипування в медичній, автомобільній та аерокосмічній промисловості.Однак у міру того, як ця технологія набула більшого поширення, вона все частіше використовується для кінцевих компонентів.Технологія виробництва металевих добавок, зокрема L-PBF, дозволила виробляти різноманітні метали з характеристиками та довговічністю, придатними для екстремальних космічних умов.Інші технології 3D-друку, такі як DED, струменеве сполучення та процес екструзії, також використовуються у виробництві аерокосмічних компонентів.В останні роки з’явилися нові бізнес-моделі, коли такі компанії, як Made in Space і Relativity Space, використовують технологію 3D-друку для розробки аерокосмічних компонентів.
Розробка 3D-принтера Relativity Space для аерокосмічної промисловості
Технологія 3D-друку в аерокосмічній галузі
Тепер, коли ми їх представили, давайте детальніше розглянемо різні технології 3D-друку, які використовуються в аерокосмічній промисловості.По-перше, слід зазначити, що виробництво металевих добавок, особливо L-PBF, є найбільш широко використовуваним у цій галузі.Цей процес передбачає використання лазерної енергії для сплавлення металевого порошку шар за шаром.Він особливо підходить для виробництва невеликих, складних, точних і індивідуальних деталей.Аерокосмічні виробники також можуть отримати вигоду від DED, який включає в себе нанесення металевого дроту або порошку і в основному використовується для ремонту, покриття або виготовлення індивідуальних металевих або керамічних деталей.
Навпаки, струменеве очищення зв’язувальним матеріалом, хоча й є перевагою з точки зору швидкості виробництва та низької вартості, не підходить для виробництва високоефективних механічних деталей, оскільки вимагає етапів зміцнення після обробки, що збільшує час виготовлення кінцевого продукту.Технологія екструзії також ефективна в космічному середовищі.Слід зазначити, що не всі полімери придатні для використання в космосі, але високоякісні пластики, такі як PEEK, можуть замінити деякі металеві частини завдяки своїй міцності.Однак цей процес 3D-друку все ще не дуже поширений, але він може стати цінним надбанням для дослідження космосу завдяки використанню нових матеріалів.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) — це широко використовувана технологія 3D-друку для аерокосмічної галузі.
Потенціал космічних матеріалів
Аерокосмічна промисловість досліджує нові матеріали за допомогою 3D-друку, пропонуючи інноваційні альтернативи, які можуть підірвати ринок.У той час як такі метали, як титан, алюміній і сплави нікелю і хрому, завжди були основним фокусом, новий матеріал може скоро привернути увагу: місячний реголіт.Місячний реголіт — це шар пилу, що покриває Місяць, і ESA продемонструвало переваги його поєднання з 3D-друком.Адвеніт Макая, старший інженер-виробник ESA, описує місячний реголіт як подібний до бетону, який переважно складається з кремнію та інших хімічних елементів, таких як залізо, магній, алюміній і кисень.ESA співпрацює з Lithoz для виробництва невеликих функціональних деталей, таких як гвинти та шестерні, використовуючи імітацію місячного реголіту з властивостями, подібними до справжнього місячного пилу.
Більшість процесів виробництва місячного реголіту використовують тепло, що робить його сумісним з такими технологіями, як SLS і рішення для друку порошкового склеювання.ESA також використовує технологію D-Shape з метою виготовлення твердих деталей шляхом змішування хлориду магнію з матеріалами та поєднання його з оксидом магнію, який міститься в моделюваному зразку.Однією з значних переваг цього місячного матеріалу є його краща роздільна здатність друку, що дозволяє виготовляти деталі з найвищою точністю.Ця функція може стати основним активом у розширенні діапазону застосувань і виробництва компонентів для майбутніх місячних баз.
Місячний реголіт всюди
Існує також марсіанський реголіт, що стосується підповерхневого матеріалу, знайденого на Марсі.Наразі міжнародні космічні агентства не можуть відновити цей матеріал, але це не заважає вченим досліджувати його потенціал у певних аерокосмічних проектах.Дослідники використовують імітовані зразки цього матеріалу та поєднують його з титановим сплавом для виготовлення інструментів або компонентів ракет.Початкові результати показують, що цей матеріал забезпечить більшу міцність і захистить обладнання від іржі та пошкодження радіацією.Хоча ці два матеріали мають схожі властивості, місячний реголіт все ще є найбільш перевіреним матеріалом.Ще одна перевага полягає в тому, що ці матеріали можна виготовляти на місці без необхідності транспортувати сировину з Землі.Крім того, реголіт є невичерпним матеріальним джерелом, що допомагає запобігти дефіциту.
Застосування технології 3D-друку в аерокосмічній промисловості
Застосування технології 3D-друку в аерокосмічній промисловості може відрізнятися залежно від конкретного процесу, який використовується.Наприклад, лазерне сплавлення порошкового шару (L-PBF) можна використовувати для виготовлення складних короткочасних деталей, таких як системи інструментів або космічні запасні частини.Каліфорнійський стартап Launcher використав технологію 3D-друку Velo3D із сапфіровим металом, щоб покращити свій рідинний ракетний двигун E-2.Процес виробника використовувався для створення індукційної турбіни, яка відіграє вирішальну роль у прискоренні та переміщенні LOX (рідкого кисню) у камеру згоряння.Турбіна та датчик були надруковані за допомогою технології 3D-друку, а потім зібрані.Цей інноваційний компонент забезпечує ракеті більший потік рідини та більшу тягу, що робить її важливою частиною двигуна
Компанія Velo3D сприяла використанню технології PBF у виробництві рідинного ракетного двигуна Е-2.
Адитивне виробництво має широке застосування, включаючи виробництво малих і великих конструкцій.Наприклад, технології 3D-друку, такі як рішення Stargate від Relativity Space, можна використовувати для виготовлення великих деталей, таких як ракетні паливні баки та лопаті гвинта.Relativity Space довів це шляхом успішного виробництва Terran 1, майже повністю надрукованої на 3D-принтері ракети, включно з паливним баком довжиною кілька метрів.Його перший запуск 23 березня 2023 року продемонстрував ефективність і надійність процесів адитивного виробництва.
Технологія 3D-друку на основі екструзії також дозволяє виготовляти деталі з використанням високоефективних матеріалів, таких як PEEK.Компоненти з цього термопластику вже пройшли випробування в космосі та були розміщені на марсоході Rashid у рамках місячної місії ОАЕ.Метою цього тесту було оцінити стійкість PEEK до екстремальних умов Місяця.У разі успіху PEEK зможе замінити металеві частини в ситуаціях, коли металеві деталі ламаються або бракує матеріалів.Крім того, легкі властивості PEEK можуть мати значення для дослідження космосу.
Технологію 3D-друку можна використовувати для виготовлення різноманітних деталей для аерокосмічної промисловості.
Переваги 3D-друку в аерокосмічній промисловості
Переваги 3D-друку в аерокосмічній промисловості включають покращений кінцевий зовнішній вигляд деталей порівняно з традиційними методами будівництва.Йоганнес Хома, генеральний директор австрійського виробника 3D-принтерів Lithoz, заявив, що «ця технологія робить деталі легшими».Завдяки свободі дизайну вироби, надруковані на 3D, більш ефективні та потребують менше ресурсів.Це позитивно впливає на екологічний вплив виробництва деталей.Relativity Space продемонструвала, що адитивне виробництво може значно зменшити кількість компонентів, необхідних для виробництва космічних апаратів.Для ракети Terran 1 було збережено 100 деталей.Крім того, ця технологія має значні переваги у швидкості виробництва, оскільки ракета готова менш ніж за 60 днів.Навпаки, виробництво ракети традиційними методами може зайняти кілька років.
Що стосується управління ресурсами, 3D-друк може економити матеріали, а в деяких випадках навіть дозволяє переробляти відходи.Нарешті, адитивне виробництво може стати цінним активом для зменшення злітної ваги ракет.Мета полягає в тому, щоб максимізувати використання місцевих матеріалів, таких як реголіт, і мінімізувати транспортування матеріалів у космічних кораблях.Це дозволяє носити з собою лише 3D-принтер, який може створити все на місці після поїздки.
Made in Space вже відправили один зі своїх 3D-принтерів у космос для тестування.
Обмеження 3D-друку в космосі
Хоча 3D-друк має багато переваг, ця технологія все ще є відносно новою та має обмеження.Адвеніт Макая заявив: «Однією з головних проблем адитивного виробництва в аерокосмічній промисловості є контроль процесу та валідація».Виробники можуть увійти в лабораторію і перевірити міцність, надійність і мікроструктуру кожної деталі перед валідацією, процес, відомий як неруйнівний контроль (NDT).Однак це може бути трудомістким і дорогим, тому кінцевою метою є зменшення потреби в цих тестах.NASA нещодавно створило центр для вирішення цієї проблеми, зосереджений на швидкій сертифікації металевих компонентів, виготовлених за допомогою адитивного виробництва.Центр має на меті використовувати цифрові близнюки для вдосконалення комп’ютерних моделей продуктів, що допоможе інженерам краще зрозуміти продуктивність і обмеження деталей, включно з тим, який тиск вони можуть витримати перед зламом.Таким чином центр сподівається сприяти застосуванню 3D-друку в аерокосмічній промисловості, роблячи його більш ефективним у конкуренції з традиційними технологіями виробництва.
Ці компоненти пройшли комплексне тестування на надійність і міцність.
З іншого боку, процес перевірки відрізняється, якщо виробництво здійснюється в космосі.Advenit Makaya з ESA пояснює: «Є техніка, яка передбачає аналіз частин під час друку».Цей метод допомагає визначити, яка друкована продукція підходить, а яка ні.Крім того, існує система самокоригування для 3D-принтерів, призначена для космосу і тестується на металевих машинах.Ця система може ідентифікувати потенційні помилки у виробничому процесі та автоматично змінювати його параметри, щоб виправити будь-які дефекти в деталі.Очікується, що ці дві системи підвищать надійність друкованої продукції в космосі.
Для перевірки рішень 3D-друку NASA та ESA встановили стандарти.Ці стандарти включають ряд випробувань для визначення надійності деталей.Вони розглядають технологію плавлення порошкового шару та оновлюють її для інших процесів.Однак багато великих гравців у промисловості матеріалів, такі як Arkema, BASF, Dupont і Sabic, також забезпечують таке відстеження.
Жити в космосі?
З розвитком технології 3D-друку ми бачили багато успішних проектів на Землі, які використовують цю технологію для будівництва будинків.Це змушує нас задуматися, чи можна використовувати цей процес у найближчому чи віддаленому майбутньому для побудови житлових споруд у космосі.Хоча жити в космосі зараз нереально, будівництво будинків, особливо на Місяці, може бути корисним для астронавтів під час виконання космічних місій.Метою Європейського космічного агентства (ESA) є будівництво куполів на Місяці з використанням місячного реголіту, який можна використовувати для будівництва стін або цегли для захисту астронавтів від радіації.За словами Адвеніта Макая з ESA, місячний реголіт складається приблизно з 60% металу та 40% кисню і є важливим матеріалом для виживання астронавтів, оскільки він може забезпечити нескінченне джерело кисню, якщо його видобути з цього матеріалу.
NASA виділило ICON грант у розмірі 57,2 мільйона доларів США на розробку системи 3D-друку для будівництва структур на поверхні Місяця, а також співпрацює з компанією для створення середовища існування Mars Dune Alpha.Мета полягає в тому, щоб перевірити умови життя на Марсі, запропонувавши добровольцям жити в середовищі існування протягом одного року, імітуючи умови на Червоній планеті.Ці зусилля представляють критичні кроки до безпосередньої побудови 3D-друкованих структур на Місяці та Марсі, що зрештою може прокласти шлях для колонізації людиною космосу.
У віддаленому майбутньому ці будинки зможуть забезпечити життя в космосі.
Час публікації: 14 червня 2023 р