Od XX wieku ludzkość fascynuje się eksploracją kosmosu i zrozumieniem tego, co znajduje się poza Ziemią. Duże organizacje, takie jak NASA i ESA, przewodzą w eksploracji kosmosu, a kolejnym ważnym graczem w tym procesie jest druk 3D. Dzięki możliwości szybkiej i taniej produkcji złożonych części, ta technologia projektowania zyskuje coraz większą popularność w firmach. Umożliwia ona tworzenie wielu zastosowań, takich jak satelity, skafandry kosmiczne i komponenty rakiet. Według SmarTech, wartość rynkowa prywatnego przemysłu kosmicznego w zakresie produkcji addytywnej ma osiągnąć 2,1 miliarda euro do 2026 roku. Nasuwa się więc pytanie: w jaki sposób druk 3D może pomóc ludziom w osiągnięciu sukcesu w kosmosie?
Początkowo druk 3D był wykorzystywany głównie do szybkiego prototypowania w przemyśle medycznym, motoryzacyjnym i lotniczym. Jednak wraz z upowszechnieniem się tej technologii, jest ona coraz częściej wykorzystywana do produkcji komponentów finalnych. Technologia wytwarzania przyrostowego metali, w szczególności L-PBF, umożliwiła produkcję różnorodnych metali o właściwościach i trwałości odpowiednich do ekstremalnych warunków kosmicznych. Inne technologie druku 3D, takie jak DED, binder jetting i proces wytłaczania, są również wykorzystywane w 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.
Relativity Space opracowuje drukarkę 3D dla przemysłu lotniczego i kosmicznego
Technologia druku 3D w lotnictwie i kosmonautyce
Skoro już je przedstawiliśmy, przyjrzyjmy się bliżej różnym technologiom druku 3D stosowanym w przemyśle lotniczym. Po pierwsze, należy zauważyć, że wytwarzanie przyrostowe metali, a zwłaszcza L-PBF, jest najszerzej stosowane w tej dziedzinie. Proces ten polega na wykorzystaniu energii lasera do łączenia proszku metalu warstwa po warstwie. Jest on szczególnie odpowiedni do produkcji małych, złożonych, precyzyjnych i niestandardowych części. Producenci z branży lotniczej mogą również skorzystać z technologii DED, która polega na nanoszeniu drutu lub proszku metalu i jest wykorzystywana głównie do naprawy, powlekania lub produkcji niestandardowych części metalowych lub ceramicznych.
Natomiast technologia drukowania 3D, choć korzystna pod względem szybkości i niskich kosztów produkcji, nie nadaje się do produkcji wysokowydajnych części mechanicznych, ponieważ wymaga wzmocnienia po obróbce, co wydłuża czas produkcji produktu końcowego. Technologia wytłaczania sprawdza się również w zastosowaniach kosmicznych. Należy zauważyć, że nie wszystkie polimery nadają się do zastosowania w kosmosie, ale wysokowydajne tworzywa sztuczne, takie jak PEEK, mogą zastąpić niektóre części metalowe ze względu na swoją wytrzymałość. Mimo to, ta metoda druku 3D nie jest jeszcze zbyt rozpowszechniona, ale może stać się cennym atutem w eksploracji kosmosu dzięki wykorzystaniu nowych materiałów.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) to technologia powszechnie stosowana w druku 3D w przemyśle lotniczym i kosmicznym.
Potencjał materiałów kosmicznych
Przemysł lotniczy i kosmiczny bada nowe materiały za pomocą druku 3D, proponując innowacyjne alternatywy, które mogą zrewolucjonizować rynek. Chociaż metale takie jak tytan, aluminium i stopy niklu z chromem zawsze były w centrum uwagi, nowy materiał może wkrótce przyciągnąć uwagę: regolit księżycowy. Regolit księżycowy to warstwa pyłu pokrywająca Księżyc, a ESA wykazała korzyści płynące z połączenia go z drukiem 3D. Advenit Makaya, starszy inżynier produkcji w ESA, opisuje regolit księżycowy jako podobny do betonu, składającego się głównie z krzemu i innych pierwiastków chemicznych, takich jak żelazo, magnez, aluminium i tlen. ESA nawiązała współpracę z firmą Lithoz w celu produkcji małych, funkcjonalnych elementów, takich jak śruby i koła zębate, z wykorzystaniem symulowanego regolitu księżycowego o właściwościach zbliżonych do prawdziwego pyłu księżycowego.
Większość procesów związanych z produkcją regolitu księżycowego wykorzystuje ciepło, co czyni go kompatybilnym z technologiami takimi jak SLS i drukowanie metodą łączenia proszków. ESA wykorzystuje również technologię D-Shape, aby wytwarzać części stałe poprzez mieszanie chlorku magnezu z innymi materiałami i łączenie go z tlenkiem magnezu znajdującym się w symulowanej próbce. Jedną z istotnych zalet tego materiału księżycowego jest lepsza rozdzielczość druku, umożliwiająca produkcję części z najwyższą precyzją. Ta cecha może stać się kluczowym atutem w rozszerzaniu zakresu zastosowań i produkcji komponentów dla przyszłych baz księżycowych.
Regolit księżycowy jest wszędzie
Istnieje również regolit marsjański, czyli materiał podziemny występujący na Marsie. Obecnie międzynarodowe agencje kosmiczne nie mogą go wydobyć, ale nie powstrzymuje to naukowców przed badaniem jego potencjału w niektórych projektach aeronautycznych. Naukowcy wykorzystują symulowane próbki tego materiału i łączą go ze stopem tytanu, aby produkować narzędzia lub elementy rakiet. Wstępne wyniki wskazują, że materiał ten zapewni większą wytrzymałość i ochroni sprzęt przed rdzą i uszkodzeniami radiacyjnymi. 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 surowców, co pomaga zapobiegać ich niedoborom.
Zastosowania technologii druku 3D w przemyśle lotniczym
Zastosowania technologii druku 3D w przemyśle lotniczym i kosmicznym mogą się różnić w zależności od zastosowanego procesu. Na przykład, laserowe stapianie proszku (L-PBF) może być wykorzystywane do produkcji skomplikowanych, krótkoterminowych części, takich jak systemy narzędziowe lub części zamienne do rakiet kosmicznych. Launcher, kalifornijski startup, wykorzystał technologię druku 3D szafirowo-metalowego Velo3D do udoskonalenia swojego silnika rakietowego na paliwo ciekłe E-2. Proces tego producenta został wykorzystany do stworzenia turbiny indukcyjnej, która odgrywa kluczową rolę w przyspieszaniu i wprowadzaniu ciekłego tlenu (LOX) 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 niezbędną częścią silnika.
Firma Velo3D przyczyniła się do wykorzystania technologii PBF przy produkcji silnika rakietowego na paliwo ciekłe E-2.
Drukowanie addytywne ma szerokie zastosowanie, w tym w produkcji małych i dużych konstrukcji. Na przykład technologie druku 3D, takie jak rozwiązanie Stargate firmy Relativity Space, mogą być wykorzystywane do produkcji dużych elementów, takich jak zbiorniki paliwa rakietowego i łopaty śmigieł. Firma Relativity Space udowodniła to poprzez udaną produkcję Terran 1, rakiety niemal w całości wydrukowanej w technologii 3D, w tym kilkumetrowego zbiornika paliwa. Jej pierwszy start, 23 marca 2023 roku, dowiódł wydajności i niezawodności procesów drukowania addytywnego.
Technologia druku 3D oparta na wytłaczaniu umożliwia również produkcję części z materiałów o wysokiej wydajności, takich jak PEEK. Komponenty wykonane z tego tworzywa termoplastycznego zostały już przetestowane w kosmosie i umieszczone na łaziku Rashid w ramach misji księżycowej Zjednoczonych Emiratów Arabskich. Celem testu była ocena odporności PEEK na ekstremalne warunki panujące na Księżycu. W przypadku powodzenia, PEEK może zastąpić części metalowe w sytuacjach, gdy ulegają one uszkodzeniu lub gdy materiały są trudno dostępne. Ponadto, lekkość PEEK może okazać się cenna w eksploracji kosmosu.
Technologia druku 3D może być wykorzystywana do produkcji różnorodnych części dla przemysłu lotniczego.
Zalety druku 3D w przemyśle lotniczym
Do zalet druku 3D w przemyśle lotniczym i kosmicznym należy lepszy wygląd końcowy części w porównaniu z tradycyjnymi technikami konstrukcyjnymi. Johannes Homa, prezes 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 środowisko naturalne. Firma Relativity Space udowodniła, że produkcja addytywna może znacznie zmniejszyć liczbę komponentów potrzebnych do produkcji statków kosmicznych. W przypadku rakiety Terran 1 zaoszczędzono 100 części. Ponadto technologia ta zapewnia znaczną przewagę w zakresie szybkości produkcji – rakieta jest gotowa w mniej niż 60 dni. Dla porównania, produkcja rakiety tradycyjnymi metodami może zająć kilka lat.
Jeśli chodzi o zarządzanie zasobami, druk 3D pozwala oszczędzać materiały, a w niektórych przypadkach umożliwia nawet recykling odpadów. Wreszcie, wytwarzanie addytywne może stać się cennym atutem w redukcji masy startowej rakiet. Celem jest maksymalne wykorzystanie lokalnych materiałów, takich jak regolit, i minimalizacja transportu materiałów w obrębie statku kosmicznego. Dzięki temu możliwe jest zabranie ze sobą jedynie drukarki 3D, która może stworzyć wszystko na miejscu po podróży.
Firma Made in Space wysłała już jedną ze swoich drukarek 3D w kosmos w celu przeprowadzenia testów.
Ograniczenia druku 3D w kosmosie
Chociaż druk 3D ma wiele zalet, technologia ta jest wciąż stosunkowo nowa i ma swoje ograniczenia. Advenit Makaya stwierdził: „Jednym z głównych problemów związanych z wytwarzaniem addytywnym w przemyśle lotniczym i kosmicznym jest kontrola i walidacja procesu”. Producenci mogą wejść do laboratorium i przetestować wytrzymałość, niezawodność i mikrostrukturę każdego elementu przed walidacją, w procesie 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 dąży do wykorzystania cyfrowych bliźniaków do ulepszania komputerowych modeli produktów, co pomoże inżynierom lepiej zrozumieć wydajność i ograniczenia elementów, w tym ciśnienie, jakie mogą wytrzymać przed pęknięciem. W ten sposób centrum ma nadzieję przyczynić się do promowania zastosowania druku 3D w przemyśle lotniczym i kosmicznym, zwiększając jego skuteczność w konkurowaniu z tradycyjnymi technikami produkcyjnymi.
Podzespoły te poddano kompleksowym testom niezawodności i wytrzymałości.
Z drugiej strony, proces weryfikacji jest inny, jeśli produkcja odbywa się w kosmosie. Advenit Makaya z ESA wyjaśnia: „Istnieje technika polegająca na analizie części podczas drukowania”. Metoda ta pomaga określić, które wydrukowane produkty nadają się do użycia, a które nie. Dodatkowo, istnieje system autokorekty dla drukarek 3D przeznaczonych do zastosowań w kosmosie, który jest testowany na maszynach metalowych. System ten potrafi identyfikować potencjalne błędy w procesie produkcyjnym i automatycznie modyfikować parametry, aby skorygować wszelkie wady części. Oczekuje się, że te dwa systemy poprawią niezawodność produktów drukowanych w kosmosie.
Aby walidować rozwiązania druku 3D, NASA i ESA ustanowiły standardy. Standardy te obejmują serię testów mających na celu określenie niezawodności części. Uwzględniają one technologię stapiania proszków (PDF) i aktualizują je pod kątem innych procesów. Jednak wielu głównych graczy w branży materiałowej, takich jak Arkema, BASF, Dupont i Sabic, również zapewnia taką identyfikowalność.
Życie w kosmosie?
Wraz z rozwojem technologii druku 3D, na Ziemi zaobserwowaliśmy wiele udanych projektów wykorzystujących tę technologię do budowy domów. To skłania do zastanowienia się, czy proces ten będzie mógł zostać wykorzystany w bliższej lub dalszej przyszłości do budowy nadających się do zamieszkania konstrukcji w kosmosie. Chociaż życie w kosmosie jest obecnie nierealne, budowanie domów, szczególnie na Księżycu, może być korzystne dla astronautów podczas misji kosmicznych. Celem Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) jest budowa kopuł na Księżycu z wykorzystaniem księżycowego regolitu, który może być używany do budowy ścian lub cegieł chroniących astronautów przed promieniowaniem. Według Advenita Makayi z ESA, księżycowy regolit składa się w około 60% z metalu i w 40% z tlenu i jest niezbędnym materiałem dla przetrwania astronautów, ponieważ może stanowić nieskończone źródło tlenu, jeśli zostanie wydobyty z tego materiału.
NASA przyznała firmie ICON grant w wysokości 57,2 miliona dolarów na opracowanie systemu druku 3D do budowy konstrukcji na powierzchni Księżyca. Współpracuje również z tą firmą w celu stworzenia habitatu Mars Dune Alpha. Celem jest przetestowanie warunków życia na Marsie poprzez roczne zamieszkanie wolontariuszy w habitatach symulujących warunki panujące na Czerwonej Planecie. Działania te stanowią kluczowe kroki w kierunku bezpośredniej budowy konstrukcji drukowanych w 3D na Księżycu i Marsie, co może ostatecznie utorować drogę do kolonizacji kosmosu przez człowieka.
W odległej przyszłości domy te mogą umożliwić przetrwanie życia w kosmosie.
Czas publikacji: 14 czerwca 2023 r.
