З 20-го століття людство захоплюється дослідженням космосу та розумінням того, що лежить за межами Землі. Такі великі організації, як NASA та ESA, були на передовій освоєння космосу, і ще одним важливим гравцем у цьому завоюванні є 3D-друк. Завдяки можливості швидко виготовляти складні деталі за низькою ціною, ця технологія проектування стає дедалі популярнішою в компаніях. Вона робить можливим створення багатьох застосувань, таких як супутники, скафандри та компоненти ракет. Фактично, за даними SmarTech, очікується, що ринкова вартість адитивного виробництва в приватній космічній галузі досягне 2,1 мільярда євро до 2026 року. Це викликає питання: як 3D-друк може допомогти людям досягти успіху в космосі?
Спочатку 3D-друк використовувався переважно для швидкого прототипування в медичній, автомобільній та аерокосмічній промисловості. Однак, оскільки ця технологія набула більшого поширення, вона все частіше використовується для компонентів кінцевого призначення. Технологія адитивного виробництва металів, зокрема L-PBF, дозволила виробляти різноманітні метали з характеристиками та довговічністю, придатними для екстремальних космічних умов. Інші технології 3D-друку, такі як DED, струменеве нанесення сполучних речовин та екструзія, також використовуються у виробництві аерокосмічних компонентів. В останні роки з'явилися нові бізнес-моделі, і такі компанії, як Made in Space та Relativity Space, використовують технологію 3D-друку для проектування аерокосмічних компонентів.
Relativity Space розробляє 3D-принтер для аерокосмічної промисловості
Технологія 3D-друку в аерокосмічній галузі
Тепер, коли ми їх представили, давайте детальніше розглянемо різні технології 3D-друку, що використовуються в аерокосмічній промисловості. По-перше, слід зазначити, що адитивне виробництво металів, особливо L-PBF, є найбільш широко використовуваним у цій галузі. Цей процес передбачає використання лазерної енергії для шарового наплавлення металевого порошку. Він особливо підходить для виробництва невеликих, складних, точних та індивідуальних деталей. Виробники аерокосмічної галузі також можуть скористатися перевагами DED, який передбачає нанесення металевого дроту або порошку та в основному використовується для ремонту, покриття або виготовлення індивідуальних металевих або керамічних деталей.
На противагу цьому, струменеве друкарство сполучними речовинами, хоча й вигідне з точки зору швидкості виробництва та низької вартості, не підходить для виробництва високопродуктивних механічних деталей, оскільки вимагає етапів зміцнення після обробки, що збільшують час виготовлення кінцевого продукту. Технологія екструзії також ефективна в космічному середовищі. Слід зазначити, що не всі полімери придатні для використання в космосі, але високопродуктивні пластмаси, такі як PEEK, можуть замінити деякі металеві деталі завдяки своїй міцності. Однак цей процес 3D-друку все ще не дуже поширений, але він може стати цінним активом для дослідження космосу завдяки використанню нових матеріалів.
Лазерне порошкове наплавлення (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 революційно вплинути на ринок. Хоча такі метали, як титан, алюміній та нікель-хромові сплави, завжди були в центрі уваги, новий матеріал може незабаром захопити цю особливість: місячний реголіт. Місячний реголіт — це шар пилу, що покриває Місяць, і Європейське космічне агентство (ESA) продемонструвало переваги його поєднання з 3D-друком. Адвеніт Макая, старший інженер-виробник ESA, описує місячний реголіт як щось подібне до бетону, що складається переважно з кремнію та інших хімічних елементів, таких як залізо, магній, алюміній та кисень. ESA співпрацює з Lithoz для виробництва невеликих функціональних деталей, таких як гвинти та шестерні, з використанням імітованого місячного реголіту з властивостями, подібними до властивостей справжнього місячного пилу.
Більшість процесів, пов'язаних з виробництвом місячного реголіту, використовують тепло, що робить його сумісним з такими технологіями, як SLS та порошкове склеювання друку. ЄКА також використовує технологію D-Shape з метою виробництва твердих деталей шляхом змішування хлориду магнію з матеріалами та поєднання його з оксидом магнію, що міститься в змодельованому зразку. Однією з суттєвих переваг цього місячного матеріалу є його вища роздільна здатність друку, що дозволяє виготовляти деталі з найвищою точністю. Ця особливість може стати основним активом у розширенні спектру застосувань та виробництві компонентів для майбутніх місячних баз.
Місячний реголіт всюди
Існує також марсіанський реголіт, що стосується підземного матеріалу, знайденого на Марсі. Наразі міжнародні космічні агентства не можуть видобути цей матеріал, але це не заважає вченим досліджувати його потенціал у певних аерокосмічних проектах. Дослідники використовують змодельовані зразки цього матеріалу та поєднують його з титановим сплавом для виробництва інструментів або компонентів ракет. Початкові результати показують, що цей матеріал забезпечить вищу міцність та захистить обладнання від іржі та радіаційного пошкодження. Хоча ці два матеріали мають подібні властивості, місячний реголіт все ще є найбільш перевіреним матеріалом. Ще однією перевагою є те, що ці матеріали можна виготовляти на місці без необхідності транспортування сировини із Землі. Крім того, реголіт є невичерпним джерелом матеріалів, що допомагає запобігти дефіциту.
Застосування технології 3D-друку в аерокосмічній промисловості
Застосування технології 3D-друку в аерокосмічній промисловості може відрізнятися залежно від конкретного використовуваного процесу. Наприклад, лазерне порошкове наплавлення (L-PBF) може бути використане для виготовлення складних короткострокових деталей, таких як інструментальні системи або космічні запасні частини. Каліфорнійський стартап Launcher використав технологію 3D-друку Velo3D на основі сапфіру та металу для вдосконалення свого рідинного ракетного двигуна E-2. Процес виробника був використаний для створення індукційної турбіни, яка відіграє вирішальну роль у прискоренні та подаванні рідкого кисню (LOX) 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.
Velo3D зробив свій внесок у використання технології PBF у виробництві рідинного ракетного двигуна E-2.
Адитивне виробництво має широке застосування, включаючи виробництво малих і великих конструкцій. Наприклад, технології 3D-друку, такі як рішення Relativity Space Stargate, можуть бути використані для виготовлення великих деталей, таких як паливні баки ракет та лопаті гвинтів. Relativity Space довела це успішним виробництвом Terran 1, ракети, майже повністю надрукованої на 3D-принтері, включаючи паливний бак довжиною кілька метрів. Її перший запуск 23 березня 2023 року продемонстрував ефективність та надійність процесів адитивного виробництва.
Технологія 3D-друку на основі екструзії також дозволяє виготовляти деталі з використанням високоефективних матеріалів, таких як PEEK. Компоненти, виготовлені з цього термопластику, вже були випробувані в космосі та розміщені на марсоході Rashid в рамках місячної місії ОАЕ. Метою цього випробування було оцінити стійкість PEEK до екстремальних місячних умов. У разі успіху PEEK може замінити металеві деталі в ситуаціях, коли металеві деталі ламаються або матеріали дефіцитні. Крім того, легкі властивості PEEK можуть бути цінними в космічних дослідженнях.
Технологія 3D-друку може бути використана для виготовлення різноманітних деталей для аерокосмічної промисловості.
Переваги 3D-друку в аерокосмічній промисловості
Переваги 3D-друку в аерокосмічній промисловості включають покращений кінцевий 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, 3D-друковані вироби є більш ефективними та потребують менше ресурсів. Це позитивно впливає на вплив виробництва деталей на навколишнє середовище. Relativity Space продемонструвала, що адитивне виробництво може значно зменшити кількість компонентів, необхідних для виробництва космічних кораблів. Для ракети Terran 1 було зекономлено 100 деталей. Крім того, ця технологія має значні переваги у швидкості виробництва, оскільки ракета збирається менш ніж за 60 днів. Натомість, виробництво ракети традиційними методами може зайняти кілька років.
Щодо управління ресурсами, 3D-друк може заощаджувати матеріали, а в деяких випадках навіть дозволяти переробляти відходи. Зрештою, 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 космічному кораблі. Це дозволяє мати при собі лише 3D-принтер, який може створювати все на місці після польоту.
Компанія Made in Space вже відправила 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 та валідація процесів». Виробники можуть зайти в лабораторію та перевірити міцність, надійність та мікроструктуру кожної деталі перед валідацією, процес, відомий як неруйнівний контроль (НДК). Однак це може бути як трудомістким, так і дорогим, тому кінцева мета — зменшити потребу в цих випробуваннях. Нещодавно NASA створило центр для вирішення цієї проблеми, який зосереджений на швидкій сертифікації металевих компонентів, виготовлених за допомогою адитивного виробництва. Центр прагне використовувати цифрових двійників для покращення комп’ютерних моделей виробів, що допоможе інженерам краще зрозуміти продуктивність та обмеження деталей, включаючи те, який тиск вони можуть витримувати до руйнування. Роблячи це, центр сподівається допомогти просувати застосування 3D-друку в аерокосмічній промисловості, зробивши його більш ефективним у конкуренції з традиційними методами виробництва.
Ці компоненти пройшли комплексні випробування на надійність та міцність.
З іншого боку, процес перевірки відрізняється, якщо виробництво здійснюється в космосі. Адвеніт Макая з ЄКА пояснює: «Існує метод, який передбачає аналіз деталей під час друку». Цей метод допомагає визначити, які друковані вироби підходять, а які ні. Крім того, існує система самокорекції для 3D-принтерів, призначених для космосу, яка проходить випробування на металевих верстатах. Ця система може виявляти потенційні помилки у виробничому процесі та автоматично змінювати його параметри, щоб виправити будь-які дефекти деталі. Очікується, що ці дві системи підвищать надійність друкованих виробів у космосі.
Для перевірки рішень 3D-друку NASA та ESA встановили стандарти. Ці стандарти включають серію тестів для визначення надійності деталей. Вони розглядають технологію порошкового наплавлення та оновлюють їх для інших процесів. Однак багато великих гравців у галузі матеріалів, таких як Arkema, BASF, Dupont та Sabic, також забезпечують таку відстежуваність.
Життя 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 може цей процес бути використаний у найближчому чи віддаленому майбутньому для будівництва житлових споруд у космосі. Хоча життя в космосі наразі нереалістичне, будівництво будинків, особливо на Місяці, може бути корисним для астронавтів під час виконання космічних місій. Метою Європейського космічного агентства (ЄКА) 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 Макаї з ЄКА, місячний реголіт складається приблизно на 60% з металу та на 40% з кисню та є важливим матеріалом для виживання астронавтів, оскільки він може забезпечити нескінченне джерело кисню, якщо його видобути з цього матеріалу.
NASA надала ICON грант у розмірі 57,2 мільйона доларів на розробку системи 3D-друку для будівництва конструкцій на поверхні Місяця, а також співпрацює з компанією у створенні середовища існування Mars Dune Alpha. Мета полягає в тому, щоб перевірити умови життя на Марсі, залучивши волонтерів до проживання в середовищі протягом одного року, імітуючи умови на Червоній планеті. Ці зусилля є важливими кроками до безпосереднього будівництва 3D-друкованих конструкцій на Місяці та Марсі, що зрештою може прокласти шлях для колонізації космосу людиною.
У далекому майбутньому ці будинки могли б забезпечити життя в космосі.
Час публікації: 14 червня 2023 р.
