Od XX wieku rasa ludzka była zafascynowana badaniem kosmosu i poznawaniem tego, co leży poza Ziemią.Duże organizacje, takie jak NASA i ESA, przodują w eksploracji kosmosu, a kolejnym ważnym graczem w tym podboju jest druk 3D.Dzięki możliwości szybkiego wytwarzania skomplikowanych części przy niskich kosztach, ta technologia projektowania staje się coraz bardziej popularna w firmach.Umożliwia tworzenie wielu aplikacji, takich jak satelity, skafandry kosmiczne i komponenty rakiet.W rzeczywistości, według SmarTech, wartość rynkowa produkcji addytywnej w prywatnym przemyśle kosmicznym ma osiągnąć 2,1 miliarda euro do 2026 r. Rodzi to pytanie: w jaki sposób druk 3D może pomóc ludziom osiągnąć sukces w kosmosie?
Początkowo druk 3D był wykorzystywany głównie do szybkiego prototypowania w przemyśle medycznym, motoryzacyjnym i lotniczym.Jednak w miarę jak technologia ta stała się bardziej rozpowszechniona, jest coraz częściej stosowana w komponentach o przeznaczeniu końcowym.Technologia wytwarzania addytywnego z metalami, w szczególności L-PBF, umożliwiła produkcję różnorodnych metali o właściwościach i trwałości odpowiednich do ekstremalnych warunków kosmicznych.Inne technologie druku 3D, takie jak DED, spoiwo i proces wytłaczania, są również wykorzystywane do produkcji komponentów lotniczych.W ostatnich latach pojawiły się nowe modele biznesowe, a firmy takie jak Made in Space i Relativity Space wykorzystują technologię druku 3D do projektowania komponentów lotniczych.
Firma Relativity Space opracowuje drukarkę 3D dla przemysłu lotniczego
Technologia druku 3D w lotnictwie
Teraz, gdy je przedstawiliśmy, przyjrzyjmy się bliżej różnym technologiom drukowania 3D stosowanym w przemyśle lotniczym.Po pierwsze, należy zauważyć, że wytwarzanie addytywne metali, zwłaszcza L-PBF, jest najczęściej stosowane w tej dziedzinie.Proces ten polega na wykorzystaniu energii lasera do stopienia proszku metalicznego warstwa po warstwie.Jest szczególnie odpowiedni do produkcji małych, złożonych, precyzyjnych i niestandardowych części.Producenci z branży lotniczej mogą również skorzystać z DED, które obejmuje osadzanie drutu metalowego lub proszku i jest wykorzystywane głównie do naprawy, powlekania lub produkcji niestandardowych części metalowych lub ceramicznych.
Z kolei natryskiwanie spoiwem, choć korzystne pod względem szybkości produkcji i niskich kosztów, nie nadaje się do produkcji wysokowydajnych części mechanicznych, ponieważ wymaga etapów wzmacniania po obróbce, które wydłużają czas produkcji produktu końcowego.Technologia wytłaczania jest również skuteczna w środowisku kosmicznym.Należy zauważyć, że nie wszystkie polimery nadają się do użytku w kosmosie, ale wysokowydajne tworzywa sztuczne, takie jak PEEK, mogą zastąpić niektóre części metalowe ze względu na swoją wytrzymałość.Jednak ten proces drukowania 3D wciąż nie jest zbyt rozpowszechniony, ale może stać się cennym atutem w eksploracji kosmosu przy użyciu nowych materiałów.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) to szeroko stosowana technologia w druku 3D dla przemysłu lotniczego.
Potencjał materiałów kosmicznych
Przemysł lotniczy bada nowe materiały za pomocą druku 3D, proponując innowacyjne alternatywy, które mogą zakłócić rynek.Podczas gdy metale takie jak tytan, aluminium i stopy niklowo-chromowe zawsze były w centrum uwagi, nowy materiał może wkrótce przyciągnąć uwagę: księżycowy regolit.Regolit księżycowy to warstwa pyłu pokrywająca Księżyc, a ESA wykazała korzyści płynące z połączenia go z drukowaniem 3D.Advenit Makaya, starszy inżynier produkcji ESA, opisuje księżycowy regolit jako podobny do betonu, składający się głównie z krzemu i innych pierwiastków chemicznych, takich jak żelazo, magnez, aluminium i tlen.ESA nawiązała współpracę z Lithoz, aby wyprodukować małe części funkcjonalne, takie jak śruby i koła zębate, przy użyciu symulowanego księżycowego regolitu o właściwościach podobnych do prawdziwego pyłu księżycowego.
Większość procesów związanych z produkcją regolitu księżycowego wykorzystuje ciepło, dzięki czemu jest kompatybilny z technologiami takimi jak SLS i drukowanie w technologii sklejania proszkowego.ESA wykorzystuje również technologię D-Shape w celu wytwarzania stałych części poprzez mieszanie chlorku magnezu z materiałami i łączenie go z tlenkiem magnezu znajdującym się w symulowanej próbce.Jedną z istotnych zalet tego księżycowego materiału jest jego lepsza rozdzielczość druku, umożliwiająca wytwarzanie części z najwyższą precyzją.Ta funkcja może stać się głównym atutem w poszerzaniu zakresu zastosowań i produkcji komponentów dla przyszłych baz księżycowych.
Księżycowy Regolit jest wszędzie
Istnieje również marsjański regolit, odnoszący się do materiału podpowierzchniowego znalezionego na Marsie.Obecnie międzynarodowe agencje kosmiczne nie mogą odzyskać tego materiału, ale to nie powstrzymało naukowców przed badaniem jego potencjału w niektórych projektach lotniczych.Badacze wykorzystują symulowane okazy tego materiału i łączą je ze stopem tytanu, aby wyprodukować narzędzia lub komponenty rakiet.Wstępne wyniki wskazują, że materiał ten zapewni większą wytrzymałość i ochroni sprzęt przed rdzewieniem i uszkodzeniami spowodowanymi promieniowaniem.Chociaż te dwa materiały mają podobne właściwości, księżycowy regolit jest nadal najczęściej testowanym materiałem.Kolejną zaletą jest to, że materiały te można wytwarzać na miejscu, bez konieczności transportu surowców z Ziemi.Ponadto regolit jest niewyczerpanym źródłem materiału, pomagającym zapobiegać niedoborom.
Zastosowania technologii druku 3D w przemyśle lotniczym
Zastosowania technologii druku 3D w przemyśle lotniczym mogą się różnić w zależności od zastosowanego procesu.Na przykład fuzja laserowego łoża proszkowego (L-PBF) może być stosowana do produkcji skomplikowanych części krótkoterminowych, takich jak systemy narzędzi lub części zamienne do przestrzeni kosmicznej.Launcher, kalifornijski startup, wykorzystał technologię druku 3D szafirowo-metalowego Velo3D, aby ulepszyć swój płynny silnik rakietowy E-2.Proces producenta wykorzystano do stworzenia turbiny indukcyjnej, która odgrywa kluczową rolę w przyspieszaniu i wtłaczaniu LOX (ciekłego tlenu) do komory spalania.Turbina i czujnik zostały wydrukowane przy użyciu technologii druku 3D, a następnie zmontowane.Ten innowacyjny komponent zapewnia rakiecie większy przepływ płynu i większy ciąg, co czyni go istotną częścią silnika
Velo3D przyczynił się do wykorzystania technologii PBF w produkcji silnika rakietowego na paliwo ciekłe E-2.
Wytwarzanie addytywne ma szerokie zastosowanie, w tym produkcję małych i dużych konstrukcji.Na przykład technologie druku 3D, takie jak rozwiązanie Stargate firmy Relativity Space, mogą być wykorzystywane do produkcji dużych części, takich jak zbiorniki paliwa rakietowego i łopaty śmigła.Firma Relativity Space udowodniła to dzięki udanej produkcji Terran 1, rakiety prawie w całości wydrukowanej w 3D, zawierającej kilkumetrowy zbiornik paliwa.Jego pierwsze uruchomienie 23 marca 2023 r. wykazało wydajność i niezawodność procesów wytwarzania przyrostowego.
Technologia druku 3D oparta na ekstruzji pozwala również na wytwarzanie części przy użyciu wysokowydajnych materiałów, takich jak PEEK.Komponenty wykonane z tego tworzywa termoplastycznego zostały już przetestowane w kosmosie i zostały umieszczone na łaziku Rashid w ramach misji księżycowej Zjednoczonych Emiratów Arabskich.Celem tego testu była ocena odporności PEEK na ekstremalne warunki księżycowe.Jeśli się powiedzie, PEEK może być w stanie zastąpić metalowe części w sytuacjach, gdy części metalowe pękają lub brakuje materiałów.Dodatkowo, lekkie właściwości PEEK mogą być przydatne w eksploracji kosmosu.
Technologia druku 3D może być wykorzystywana do produkcji różnych części dla przemysłu lotniczego.
Zalety druku 3D w przemyśle lotniczym
Do zalet druku 3D w przemyśle lotniczym należy lepszy wygląd końcowy części w porównaniu z tradycyjnymi technikami konstrukcyjnymi.Johannes Homa, dyrektor generalny austriackiego producenta drukarek 3D Lithoz, stwierdził, że „ta technologia sprawia, że części są lżejsze”.Dzięki swobodzie projektowania produkty drukowane w 3D są bardziej wydajne i wymagają mniej zasobów.Ma to pozytywny wpływ na wpływ produkcji części na środowisko.Relativity Space wykazało, że wytwarzanie przyrostowe może znacznie zmniejszyć liczbę komponentów wymaganych do wyprodukowania statku kosmicznego.W przypadku rakiety Terran 1 uratowano 100 części.Ponadto technologia ta ma znaczące zalety w szybkości produkcji, a rakieta jest gotowa w mniej niż 60 dni.Z kolei wyprodukowanie rakiety tradycyjnymi metodami może zająć kilka lat.
Jeśli chodzi o zarządzanie zasobami, druk 3D może oszczędzać materiały, a w niektórych przypadkach nawet umożliwiać recykling odpadów.Wreszcie, produkcja addytywna może stać się cennym atutem w zmniejszaniu masy startowej rakiet.Celem jest maksymalne wykorzystanie lokalnych materiałów, takich jak regolit, i zminimalizowanie transportu materiałów w statkach kosmicznych.Dzięki temu można zabrać ze sobą tylko drukarkę 3D, która po wycieczce może stworzyć wszystko na miejscu.
Firma Made in Space wysłała już jedną ze swoich drukarek 3D w kosmos do testów.
Ograniczenia druku 3D w kosmosie
Chociaż druk 3D ma wiele zalet, technologia jest wciąż stosunkowo nowa i ma ograniczenia.Advenit Makaya stwierdził: „Jednym z głównych problemów związanych z wytwarzaniem przyrostowym w przemyśle lotniczym jest kontrola i walidacja procesu”.Producenci mogą wejść do laboratorium i przetestować wytrzymałość, niezawodność i mikrostrukturę każdej części przed walidacją, procesem znanym jako badania nieniszczące (NDT).Może to być jednak zarówno czasochłonne, jak i kosztowne, dlatego ostatecznym celem jest ograniczenie konieczności przeprowadzania tych testów.NASA niedawno utworzyła centrum zajmujące się tym problemem, koncentrujące się na szybkiej certyfikacji elementów metalowych wytwarzanych metodą wytwarzania addytywnego.Centrum ma na celu wykorzystanie cyfrowych bliźniaków do ulepszania komputerowych modeli produktów, co pomoże inżynierom lepiej zrozumieć wydajność i ograniczenia części, w tym to, jaki nacisk mogą wytrzymać przed pęknięciem.W ten sposób centrum ma nadzieję pomóc w promowaniu zastosowania druku 3D w przemyśle lotniczym, zwiększając jego skuteczność w konkurowaniu z tradycyjnymi technikami produkcji.
Komponenty te przeszły kompleksowe testy niezawodności i wytrzymałości.
Z drugiej strony proces weryfikacji wygląda inaczej, jeśli produkcja odbywa się w kosmosie.Advenit Makaya z ESA wyjaśnia: „Istnieje technika polegająca na analizie części podczas drukowania”.Ta metoda pomaga określić, które produkty drukowane są odpowiednie, a które nie.Dodatkowo istnieje system samokorekty dla drukarek 3D przeznaczonych do kosmosu i jest testowany na maszynach metalowych.System ten może identyfikować potencjalne błędy w procesie produkcyjnym i automatycznie modyfikować jego parametry w celu skorygowania ewentualnych wad części.Oczekuje się, że te dwa systemy poprawią niezawodność produktów drukowanych w kosmosie.
Aby zweryfikować rozwiązania druku 3D, NASA i ESA ustanowiły standardy.Normy te obejmują serię testów w celu określenia niezawodności części.Rozważają technologię fuzji w złożu proszkowym i aktualizują ją pod kątem innych procesów.Jednak wielu głównych graczy w branży materiałów, takich jak Arkema, BASF, Dupont i Sabic, również zapewnia tę identyfikowalność.
Życie w kosmosie?
Wraz z rozwojem technologii druku 3D widzieliśmy na Ziemi wiele udanych projektów wykorzystujących tę technologię do budowy domów.To sprawia, że zastanawiamy się, czy ten proces może zostać wykorzystany w bliższej lub dalszej przyszłości do budowy nadających się do zamieszkania struktur w kosmosie.Podczas gdy życie w kosmosie jest obecnie nierealne, budowanie domów, szczególnie na Księżycu, może być korzystne dla astronautów podczas wykonywania misji kosmicznych.Celem Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) jest budowanie kopuł na Księżycu z wykorzystaniem regolitu księżycowego, z którego można budować ściany lub cegły chroniące astronautów przed promieniowaniem.Według Advenita Makayi z ESA, księżycowy regolit składa się w około 60% z metalu i w 40% z tlenu i jest materiałem niezbędnym do przetrwania astronautów, ponieważ może zapewnić niekończące się źródło tlenu, jeśli zostanie wydobyty z tego materiału.
NASA przyznała ICON grant w wysokości 57,2 miliona dolarów na opracowanie systemu drukowania 3D do budowy struktur na powierzchni Księżyca, a także współpracuje z firmą w celu stworzenia siedliska Mars Dune Alpha.Celem jest przetestowanie warunków życia na Marsie poprzez zamieszkanie ochotników w habitacie przez rok, symulując warunki na Czerwonej Planecie.Wysiłki te stanowią kluczowe kroki w kierunku bezpośredniego konstruowania wydrukowanych w 3D struktur na Księżycu i Marsie, które mogą ostatecznie utorować drogę do kolonizacji kosmosu przez ludzi.
W odległej przyszłości domy te mogą umożliwić przetrwanie życia w kosmosie.
Czas postu: 14 czerwca 2023 r