Kopš 20. gadsimta cilvēku rase ir aizrāvusies ar kosmosa izpēti un izpratni par to, kas atrodas aiz Zemes.Galvenās organizācijas, piemēram, NASA un ESA, ir bijušas kosmosa izpētes priekšgalā, un vēl viens svarīgs spēlētājs šajā iekarojumā ir 3D drukāšana.Pateicoties iespējai ātri ražot sarežģītas detaļas par zemām izmaksām, šī dizaina tehnoloģija kļūst arvien populārāka uzņēmumos.Tas ļauj izveidot daudzas lietojumprogrammas, piemēram, satelītus, skafandrus un raķešu komponentus.Faktiski saskaņā ar SmarTech datiem paredzams, ka privātās kosmosa nozares piedevu ražošanas tirgus vērtība līdz 2026. gadam sasniegs 2,1 miljardu eiro. Tas rada jautājumu: kā 3D drukāšana var palīdzēt cilvēkiem izcelties kosmosā?
Sākotnēji 3D drukāšanu galvenokārt izmantoja ātrai prototipu veidošanai medicīnas, automobiļu un kosmosa rūpniecībā.Tomēr, tā kā tehnoloģija ir kļuvusi plaši izplatīta, to arvien vairāk izmanto galamērķa komponentiem.Metāla piedevu ražošanas tehnoloģija, īpaši L-PBF, ir ļāvusi ražot dažādus metālus, kuru īpašības un izturība ir piemērota ekstremāliem telpas apstākļiem.Aviācijas un kosmosa komponentu ražošanā tiek izmantotas arī citas 3D drukas tehnoloģijas, piemēram, DED, saistvielu strūklas un ekstrūzijas process.Pēdējos gados ir parādījušies jauni biznesa modeļi, kuros tādi uzņēmumi kā Made in Space un Relativity Space izmanto 3D drukas tehnoloģiju, lai izstrādātu kosmosa komponentus.
Relativitātes kosmosa izstrādes 3D printeris kosmosa industrijai
3D drukas tehnoloģija aviācijā
Tagad, kad esam tās ieviesuši, aplūkosim tuvāk dažādās 3D drukāšanas tehnoloģijas, ko izmanto aviācijas un kosmosa industrijā.Pirmkārt, jāatzīmē, ka šajā jomā visplašāk tiek izmantota metāla piedevu ražošana, īpaši L-PBF.Šis process ietver lāzera enerģijas izmantošanu metāla pulvera sakausēšanai slāni pa slānim.Tas ir īpaši piemērots mazu, sarežģītu, precīzu un pielāgotu detaļu ražošanai.Aviācijas un kosmosa ražotāji var arī gūt labumu no DED, kas ietver metāla stieples vai pulvera uzklāšanu un galvenokārt tiek izmantots remontam, pārklāšanai vai pielāgotu metāla vai keramikas detaļu ražošanai.
Turpretim saistvielu strūklu, lai gan tā ir izdevīga ražošanas ātruma un zemo izmaksu ziņā, nav piemērota augstas veiktspējas mehānisko detaļu ražošanai, jo tai ir nepieciešamas pēcapstrādes nostiprināšanas darbības, kas palielina galaprodukta ražošanas laiku.Ekstrūzijas tehnoloģija ir efektīva arī kosmosa vidē.Jāņem vērā, ka ne visi polimēri ir piemēroti izmantošanai kosmosā, taču augstas veiktspējas plastmasa, piemēram, PEEK, to stiprības dēļ var aizstāt dažas metāla daļas.Tomēr šis 3D drukāšanas process joprojām nav īpaši izplatīts, taču tas var kļūt par vērtīgu kosmosa izpētes līdzekli, izmantojot jaunus materiālus.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ir plaši izmantota tehnoloģija 3D drukāšanā kosmosa vajadzībām.
Kosmosa materiālu potenciāls
Aviācijas un kosmosa nozare ir pētījusi jaunus materiālus, izmantojot 3D drukāšanu, piedāvājot novatoriskas alternatīvas, kas var traucēt tirgu.Lai gan metāli, piemēram, titāns, alumīnijs un niķeļa-hroma sakausējumi, vienmēr ir bijuši galvenā uzmanība, drīzumā uzmanības centrā var tikt jauns materiāls: Mēness regolīts.Mēness regolīts ir putekļu slānis, kas pārklāj Mēnesi, un ESA ir pierādījis priekšrocības, ko sniedz tā apvienošana ar 3D drukāšanu.Advenit Makaya, ESA vecākais ražošanas inženieris, apraksta Mēness regolītu kā betonam līdzīgu, kas galvenokārt sastāv no silīcija un citiem ķīmiskiem elementiem, piemēram, dzelzs, magnija, alumīnija un skābekļa.ESA ir sadarbojusies ar Lithoz, lai ražotu nelielas funkcionālas detaļas, piemēram, skrūves un zobratus, izmantojot simulētu Mēness regolītu ar īpašībām, kas līdzīgas īstiem mēness putekļiem.
Lielākajā daļā procesu, kas saistīti ar Mēness regolīta ražošanu, tiek izmantots siltums, padarot to saderīgu ar tādām tehnoloģijām kā SLS un pulverveida līmēšanas drukas risinājumi.ESA izmanto arī D-Shape tehnoloģiju ar mērķi ražot cietas detaļas, sajaucot magnija hlorīdu ar materiāliem un apvienojot to ar magnija oksīdu, kas atrodams simulētajā paraugā.Viena no būtiskām šī mēness materiāla priekšrocībām ir tā smalkākā drukas izšķirtspēja, kas ļauj izgatavot detaļas ar visaugstāko precizitāti.Šī funkcija varētu kļūt par galveno līdzekli, paplašinot lietojumu klāstu un ražošanas komponentus nākotnes Mēness bāzēm.
Mēness regolīts ir visur
Ir arī Marsa regolīts, kas attiecas uz Marsa zemūdens materiālu.Pašlaik starptautiskās kosmosa aģentūras nevar atgūt šo materiālu, taču tas nav atturējis zinātniekus pētīt tā potenciālu noteiktos kosmosa projektos.Pētnieki izmanto simulētus šī materiāla paraugus un apvieno to ar titāna sakausējumu, lai ražotu instrumentus vai raķešu sastāvdaļas.Sākotnējie rezultāti liecina, ka šis materiāls nodrošinās lielāku izturību un pasargās iekārtas no rūsēšanas un radiācijas bojājumiem.Lai gan šiem diviem materiāliem ir līdzīgas īpašības, Mēness regolīts joprojām ir visvairāk pārbaudītais materiāls.Vēl viena priekšrocība ir tā, ka šos materiālus var ražot uz vietas bez nepieciešamības transportēt izejvielas no Zemes.Turklāt regolīts ir neizsmeļams materiālu avots, kas palīdz novērst trūkumu.
3D drukas tehnoloģiju pielietojumi kosmosa industrijā
3D drukas tehnoloģijas pielietojums kosmosa nozarē var atšķirties atkarībā no konkrētā izmantotā procesa.Piemēram, lāzera pulvera slāņa saplūšanu (L-PBF) var izmantot, lai ražotu sarežģītas īslaicīgas daļas, piemēram, instrumentu sistēmas vai kosmosa rezerves daļas.Launcher, Kalifornijā bāzēts starta uzņēmums, izmantoja Velo3D safīra-metāla 3D drukas tehnoloģiju, lai uzlabotu savu E-2 šķidro raķešu dzinēju.Ražotāja process tika izmantots, lai izveidotu indukcijas turbīnu, kurai ir izšķiroša loma LOX (šķidrā skābekļa) paātrināšanā un iedarbināšanā sadegšanas kamerā.Turbīna un sensors tika izdrukāti, izmantojot 3D drukas tehnoloģiju, un pēc tam salikti.Šis novatoriskais komponents nodrošina raķetei lielāku šķidruma plūsmu un lielāku vilci, padarot to par būtisku dzinēja sastāvdaļu
Velo3D veicināja PBF tehnoloģijas izmantošanu E-2 šķidro raķešu dzinēja ražošanā.
Piedevu ražošanai ir plašs pielietojums, tostarp mazu un lielu konstrukciju ražošana.Piemēram, 3D drukāšanas tehnoloģijas, piemēram, Relativity Space Stargate risinājumu, var izmantot, lai ražotu lielas detaļas, piemēram, raķešu degvielas tvertnes un propelleru lāpstiņas.Relativitātes telpa to ir pierādījusi, veiksmīgi izgatavojot Terran 1, gandrīz pilnībā 3D drukātu raķeti, ieskaitot vairākus metrus garu degvielas tvertni.Tā pirmā palaišana 2023. gada 23. martā demonstrēja piedevu ražošanas procesu efektivitāti un uzticamību.
Uz ekstrūzijas balstīta 3D drukas tehnoloģija ļauj arī ražot detaļas, izmantojot augstas veiktspējas materiālus, piemēram, PEEK.No šīs termoplastmasas izgatavotās sastāvdaļas jau ir pārbaudītas kosmosā un tika novietotas uz Rashid rover AAE Mēness misijas ietvaros.Šī testa mērķis bija novērtēt PEEK izturību pret ekstremāliem Mēness apstākļiem.Ja tas izdosies, PEEK var nomainīt metāla daļas situācijās, kad plīst metāla daļas vai trūkst materiālu.Turklāt PEEK vieglās īpašības var būt noderīgas kosmosa izpētē.
3D drukas tehnoloģiju var izmantot dažādu detaļu ražošanai kosmosa industrijai.
3D drukas priekšrocības kosmosa industrijā
3D drukāšanas priekšrocības aviācijas un kosmosa nozarē ietver uzlabotu detaļu galīgo izskatu salīdzinājumā ar tradicionālajām būvniecības metodēm.Johannes Homa, Austrijas 3D printeru ražotāja Lithoz izpilddirektors, paziņoja, ka "šī tehnoloģija padara detaļas vieglākas".Pateicoties dizaina brīvībai, 3D drukātie produkti ir efektīvāki un prasa mazāk resursu.Tam ir pozitīva ietekme uz detaļu ražošanas ietekmi uz vidi.Relativitātes kosmoss ir pierādījis, ka piedevu ražošana var ievērojami samazināt kosmosa kuģu ražošanai nepieciešamo komponentu skaitu.Raķetei Terran 1 tika saglabātas 100 detaļas.Turklāt šai tehnoloģijai ir ievērojamas priekšrocības ražošanas ātrumā, jo raķete tiek pabeigta mazāk nekā 60 dienās.Turpretim raķetes izgatavošana, izmantojot tradicionālās metodes, var ilgt vairākus gadus.
Attiecībā uz resursu pārvaldību 3D drukāšana var ietaupīt materiālus un dažos gadījumos pat nodrošināt atkritumu pārstrādi.Visbeidzot, piedevu ražošana var kļūt par vērtīgu līdzekli raķešu pacelšanās svara samazināšanai.Mērķis ir maksimāli palielināt vietējo materiālu, piemēram, regolīta, izmantošanu un samazināt materiālu transportēšanu kosmosa kuģos.Tas ļauj paņemt līdzi tikai 3D printeri, kas pēc brauciena var visu izveidot uz vietas.
Uzņēmums Made in Space jau ir nosūtījis vienu no saviem 3D printeriem uz kosmosu testēšanai.
3D drukāšanas ierobežojumi kosmosā
Lai gan 3D drukāšanai ir daudz priekšrocību, tehnoloģija joprojām ir salīdzinoši jauna un tai ir ierobežojumi.Advenit Makaya norādīja: "Viena no galvenajām problēmām ar piedevu ražošanu aviācijas un kosmosa nozarē ir procesa kontrole un validācija."Ražotāji var ienākt laboratorijā un pārbaudīt katras daļas izturību, uzticamību un mikrostruktūru pirms validācijas, kas pazīstams kā nesagraujošā pārbaude (NDT).Tomēr tas var būt gan laikietilpīgs, gan dārgs, tāpēc galvenais mērķis ir samazināt vajadzību pēc šiem testiem.NASA nesen izveidoja centru šīs problēmas risināšanai, kas koncentrējās uz piedevu ražošanā ražoto metāla komponentu ātru sertifikāciju.Centra mērķis ir izmantot digitālos dvīņus, lai uzlabotu produktu datoru modeļus, kas palīdzēs inženieriem labāk izprast detaļu veiktspēju un ierobežojumus, tostarp to, cik lielu spiedienu tās var izturēt pirms lūzuma.To darot, centrs cer palīdzēt veicināt 3D drukas pielietojumu aviācijas un kosmosa nozarē, padarot to efektīvāku konkurē ar tradicionālajām ražošanas metodēm.
Šiem komponentiem ir veikta visaptveroša uzticamības un izturības pārbaude.
No otras puses, verifikācijas process ir atšķirīgs, ja ražošana tiek veikta kosmosā.ESA Advenit Makaya skaidro: "Ir tehnika, kas ietver detaļu analīzi drukāšanas laikā."Šī metode palīdz noteikt, kuri iespieddarbi ir piemēroti un kuri nav piemēroti.Papildus ir paškorekcijas sistēma 3D printeriem, kas paredzēti kosmosam un tiek testēti uz metāla iekārtām.Šī sistēma var identificēt iespējamās kļūdas ražošanas procesā un automātiski modificēt tās parametrus, lai labotu visus detaļas defektus.Paredzams, ka šīs divas sistēmas uzlabos drukāto produktu uzticamību kosmosā.
Lai apstiprinātu 3D drukas risinājumus, NASA un ESA ir noteikuši standartus.Šie standarti ietver virkni testu, lai noteiktu detaļu uzticamību.Viņi apsver pulvera slāņa saplūšanas tehnoloģiju un atjaunina tos citiem procesiem.Tomēr daudzi galvenie materiālu nozares dalībnieki, piemēram, Arkema, BASF, Dupont un Sabic, arī nodrošina šo izsekojamību.
Dzīvo kosmosā?
Attīstoties 3D drukas tehnoloģijai, mēs esam redzējuši daudzus veiksmīgus projektus uz Zemes, kuros šī tehnoloģija tiek izmantota māju celtniecībai.Tas liek mums aizdomāties, vai šis process varētu tikt izmantots tuvākā vai tālākā nākotnē, lai kosmosā izveidotu apdzīvojamas struktūras.Lai gan pašlaik dzīvot kosmosā ir nereāli, māju celtniecība, īpaši uz Mēness, var būt noderīga astronautiem, veicot kosmosa misijas.Eiropas Kosmosa aģentūras (ESA) mērķis ir uzbūvēt kupolus uz Mēness, izmantojot Mēness regolītu, ko var izmantot sienu vai ķieģeļu konstruēšanai, lai aizsargātu astronautus no radiācijas.Saskaņā ar Advenit Makaya no ESA, Mēness regolīts sastāv no aptuveni 60% metāla un 40% skābekļa un ir būtisks materiāls astronautu izdzīvošanai, jo tas var nodrošināt bezgalīgu skābekļa avotu, ja to iegūst no šī materiāla.
NASA ir piešķīrusi 57,2 miljonu ASV dolāru dotāciju uzņēmumam ICON, lai izstrādātu 3D drukas sistēmu būvkonstrukcijām uz Mēness virsmas, kā arī sadarbojas ar uzņēmumu, lai izveidotu Marsa kāpas Alpha biotopu.Mērķis ir pārbaudīt dzīves apstākļus uz Marsa, liekot brīvprātīgajiem dzīvot dzīvotnē vienu gadu, simulējot apstākļus uz Sarkanās planētas.Šie centieni ir kritiski soļi, lai tieši izveidotu 3D drukātas struktūras uz Mēness un Marsa, kas galu galā varētu pavērt ceļu cilvēka kosmosa kolonizācijai.
Tālā nākotnē šīs mājas varētu ļaut dzīvībai izdzīvot kosmosā.
Izlikšanas laiks: 14. jūnijs 2023