От 20-ти век човешката раса е очарована от изследването на космоса и разбирането на това, което се крие отвъд Земята.Големи организации като NASA и ESA са в челните редици на изследването на космоса, а друг важен играч в това завоевание е 3D принтирането.С възможността за бързо производство на сложни части на ниска цена, тази технология за проектиране става все по-популярна в компаниите.Това прави възможно създаването на много приложения, като сателити, скафандри и ракетни компоненти.Всъщност, според SmarTech, пазарната стойност на частното производство на добавки в космическата индустрия се очаква да достигне 2,1 милиарда евро до 2026 г. Това повдига въпроса: Как 3D принтирането може да помогне на хората да превъзхождат в космоса?
Първоначално 3D принтирането се използва главно за бързо създаване на прототипи в медицинската, автомобилната и космическата индустрия.Въпреки това, тъй като технологията става все по-разпространена, тя се използва все повече за компоненти с крайно предназначение.Технологията за производство на метални добавки, особено L-PBF, позволи производството на различни метали с характеристики и издръжливост, подходящи за екстремни космически условия.Други технологии за 3D печат, като DED, струйна обработка на свързващо вещество и процес на екструдиране, също се използват в производството на аерокосмически компоненти.През последните години се появиха нови бизнес модели, като компании като Made in Space и Relativity Space използват технологията за 3D печат, за да проектират аерокосмически компоненти.
Relativity Space разработва 3D принтер за космическата индустрия
Технология за 3D печат в космонавтиката
Сега, след като ги представихме, нека разгледаме по-отблизо различните технологии за 3D печат, използвани в космическата индустрия.Първо, трябва да се отбележи, че производството на метални добавки, особено L-PBF, е най-широко използваното в тази област.Този процес включва използване на лазерна енергия за стопяване на метален прах слой по слой.Той е особено подходящ за производство на малки, сложни, прецизни и персонализирани части.Аерокосмическите производители също могат да се възползват от DED, което включва отлагане на метална тел или прах и се използва главно за ремонт, покриване или производство на персонализирани метални или керамични части.
Обратно, струйното изпръскване на свързващо вещество, въпреки че е изгодно по отношение на скоростта на производство и ниската цена, не е подходящо за производство на механични части с висока производителност, тъй като изисква етапи на укрепване след обработка, които увеличават времето за производство на крайния продукт.Екструзионната технология е ефективна и в космическа среда.Трябва да се отбележи, че не всички полимери са подходящи за използване в космоса, но пластмасите с висока производителност като PEEK могат да заменят някои метални части поради тяхната здравина.Въпреки това, този процес на 3D печат все още не е много разпространен, но може да се превърне в ценен актив за изследване на космоса чрез използване на нови материали.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) е широко използвана технология в 3D печата за космическото пространство.
Потенциал на космическите материали
Космическата индустрия проучва нови материали чрез 3D принтиране, предлагайки иновативни алтернативи, които могат да нарушат пазара.Докато метали като титан, алуминий и никел-хромови сплави винаги са били основният фокус, нов материал може скоро да открадне светлината на прожекторите: лунен реголит.Лунният реголит е слой прах, покриващ Луната, и ESA демонстрира предимствата от комбинирането му с 3D печат.Адвенит Макая, старши производствен инженер на ESA, описва лунния реголит като подобен на бетон, съставен предимно от силиций и други химически елементи като желязо, магнезий, алуминий и кислород.ESA си партнира с Lithoz за производството на малки функционални части като винтове и зъбни колела, използвайки симулиран лунен реголит със свойства, подобни на истински лунен прах.
Повечето от процесите, включени в производството на лунен реголит, използват топлина, което го прави съвместим с технологии като SLS и решения за печат с прахово свързване.ESA също използва технологията D-Shape с цел производство на твърди части чрез смесване на магнезиев хлорид с материали и комбинирането му с магнезиев оксид, открит в симулирания образец.Едно от значителните предимства на този лунен материал е неговата по-фина разделителна способност на печат, което му позволява да произвежда части с най-висока прецизност.Тази функция може да се превърне в основен актив за разширяване на обхвата от приложения и производствени компоненти за бъдещи лунни бази.
Лунният реголит е навсякъде
Има и марсиански реголит, отнасящ се до подповърхностен материал, открит на Марс.Понастоящем международните космически агенции не могат да възстановят този материал, но това не е попречило на учените да проучат потенциала му в определени аерокосмически проекти.Изследователите използват симулирани образци от този материал и го комбинират с титаниева сплав, за да произвеждат инструменти или ракетни компоненти.Първоначалните резултати показват, че този материал ще осигури по-висока якост и ще предпази оборудването от ръжда и радиационно увреждане.Въпреки че тези два материала имат подобни свойства, лунният реголит все още е най-тестваният материал.Друго предимство е, че тези материали могат да бъдат произведени на място, без да е необходимо да се транспортират суровини от Земята.Освен това реголитът е неизчерпаем материален източник, който помага за предотвратяване на недостига.
Приложенията на технологията за 3D печат в космическата индустрия
Приложенията на технологията за 3D печат в космическата индустрия могат да варират в зависимост от конкретния използван процес.Например лазерното сливане на прахов слой (L-PBF) може да се използва за производство на сложни краткотрайни части, като системи от инструменти или резервни части за космоса.Launcher, базирана в Калифорния стартираща компания, използва технологията за 3D печат на сапфирен метал на Velo3D, за да подобри своя течен ракетен двигател E-2.Процесът на производителя е използван за създаване на индукционна турбина, която играе решаваща роля за ускоряване и задвижване на LOX (течен кислород) в горивната камера.Турбината и сензорът бяха отпечатани с помощта на технология за 3D печат и след това сглобени.Този иновативен компонент осигурява на ракетата по-голям флуиден поток и по-голяма тяга, което я прави съществена част от двигателя
Velo3D допринесе за използването на PBF технологията при производството на течен ракетен двигател E-2.
Адитивното производство има широки приложения, включително производството на малки и големи конструкции.Например технологиите за 3D печат като решението Stargate на Relativity Space могат да се използват за производство на големи части като резервоари за ракетно гориво и лопатки на витла.Relativity Space доказа това чрез успешното производство на Terran 1, почти изцяло 3D отпечатана ракета, включваща резервоар за гориво с дължина няколко метра.Първото му стартиране на 23 март 2023 г. демонстрира ефективността и надеждността на адитивните производствени процеси.
Технологията за 3D печат, базирана на екструзия, също така позволява производството на части с високоефективни материали като PEEK.Компонентите, изработени от този термопласт, вече са тествани в космоса и са поставени на марсохода Rashid като част от лунната мисия на ОАЕ.Целта на този тест беше да се оцени устойчивостта на PEEK към екстремни лунни условия.Ако успее, PEEK може да е в състояние да замени метални части в ситуации, когато металните части се счупят или материалите са оскъдни.Освен това леките свойства на PEEK могат да бъдат ценни при изследването на космоса.
Технологията за 3D печат може да се използва за производството на различни части за космическата индустрия.
Предимства на 3D принтирането в космическата индустрия
Предимствата на 3D печата в космическата индустрия включват подобрен краен външен вид на частите в сравнение с традиционните строителни техники.Йоханес Хома, главен изпълнителен директор на австрийския производител на 3D принтери Lithoz, заяви, че „тази технология прави частите по-леки“.Благодарение на свободата на дизайна, 3D отпечатаните продукти са по-ефективни и изискват по-малко ресурси.Това има положително въздействие върху въздействието върху околната среда на производството на части.Relativity Space показа, че адитивното производство може значително да намали броя на компонентите, необходими за производството на космически кораби.За ракетата Terran 1 са запазени 100 части.Освен това тази технология има значителни предимства в скоростта на производство, като ракетата се завършва за по-малко от 60 дни.За разлика от това, производството на ракета по традиционни методи може да отнеме няколко години.
По отношение на управлението на ресурсите, 3D принтирането може да спести материали и в някои случаи дори да позволи рециклиране на отпадъци.И накрая, адитивното производство може да се превърне в ценен актив за намаляване на излетното тегло на ракетите.Целта е да се увеличи максимално използването на местни материали, като реголит, и да се сведе до минимум транспортирането на материали в космическите кораби.Това прави възможно носенето само на 3D принтер, който може да създаде всичко на място след пътуването.
Made in Space вече изпратиха един от своите 3D принтери в космоса за тестване.
Ограничения на 3D принтирането в космоса
Въпреки че 3D печатът има много предимства, технологията все още е сравнително нова и има ограничения.Advenit Makaya заяви: "Един от основните проблеми при производството на добавки в космическата индустрия е контролът и валидирането на процеса."Производителите могат да влязат в лабораторията и да тестват здравината, надеждността и микроструктурата на всяка част преди валидиране, процес, известен като безразрушителен тест (NDT).Това обаче може да отнеме време и да е скъпо, така че крайната цел е да се намали необходимостта от тези тестове.НАСА наскоро създаде център за справяне с този проблем, фокусиран върху бързото сертифициране на метални компоненти, произведени чрез адитивно производство.Центърът има за цел да използва цифрови близнаци за подобряване на компютърни модели на продукти, което ще помогне на инженерите да разберат по-добре производителността и ограниченията на частите, включително колко натиск могат да издържат, преди да се счупят.По този начин центърът се надява да помогне за популяризиране на приложението на 3D печат в космическата индустрия, като го направи по-ефективен в конкуренцията с традиционните производствени техники.
Тези компоненти са преминали цялостни тестове за надеждност и здравина.
От друга страна, процесът на проверка е различен, ако производството се извършва в космоса.Advenit Makaya от ESA обяснява: "Има техника, която включва анализиране на частите по време на печат."Този метод помага да се определи кои печатни продукти са подходящи и кои не.Освен това има система за самокоригиране за 3D принтери, предназначени за космоса и се тества върху метални машини.Тази система може да идентифицира потенциални грешки в производствения процес и автоматично да променя параметрите си, за да коригира всички дефекти в частта.Очаква се тези две системи да подобрят надеждността на печатните продукти в космоса.
За да валидират решенията за 3D печат, НАСА и ЕКА са установили стандарти.Тези стандарти включват серия от тестове за определяне на надеждността на частите.Те обмислят технологията за синтез на прахов слой и я актуализират за други процеси.Въпреки това, много големи играчи в индустрията за материали, като Arkema, BASF, Dupont и Sabic, също осигуряват тази възможност за проследяване.
Да живееш в космоса?
С напредването на технологията за 3D принтиране видяхме много успешни проекти на Земята, които използват тази технология за изграждане на къщи.Това ни кара да се чудим дали този процес може да се използва в близко или далечно бъдеще за изграждане на обитаеми структури в космоса.Докато животът в космоса в момента е нереалистичен, изграждането на къщи, особено на Луната, може да бъде от полза за астронавтите при изпълнение на космически мисии.Целта на Европейската космическа агенция (ESA) е да изгради куполи на Луната с помощта на лунен реголит, който може да се използва за изграждане на стени или тухли за защита на астронавтите от радиация.Според Advenit Makaya от ESA, лунният реголит е съставен от около 60% метал и 40% кислород и е основен материал за оцеляването на астронавтите, тъй като може да осигури безкраен източник на кислород, ако бъде извлечен от този материал.
НАСА отпусна безвъзмездна помощ от 57,2 милиона долара на ICON за разработване на система за 3D печат за изграждане на структури на лунната повърхност и също така си сътрудничи с компанията за създаване на местообитание на Mars Dune Alpha.Целта е да се тестват условията на живот на Марс, като доброволци живеят в хабитат в продължение на една година, симулирайки условията на Червената планета.Тези усилия представляват критични стъпки към директното конструиране на 3D отпечатани структури на Луната и Марс, което в крайна сметка може да проправи пътя за човешка космическа колонизация.
В далечното бъдеще тези къщи биха могли да позволят животът да оцелее в космоса.
Време на публикуване: 14 юни 2023 г