От 20-ти век насам човешката раса е очарована от изследването на космоса и разбирането на това, което се крие отвъд Земята. Големи организации като НАСА и ЕКА са начело на космическите изследвания, а друг важен играч в това завоевание е 3D печатът. С възможността за бързо производство на сложни части на ниска цена, тази технология за проектиране става все по-популярна в компаниите. Тя прави възможно създаването на много приложения, като сателити, скафандри и ракетни компоненти. Всъщност, според SmarTech, пазарната стойност на адитивното производство в частната космическа индустрия се очаква да достигне 2,1 милиарда евро до 2026 г. Това повдига въпроса: Как 3D печатът може да помогне на хората да се отличат в космоса?
Първоначално 3D печатът се е използвал главно за бързо прототипиране в медицинската, автомобилната и аерокосмическата промишленост. С разпространението на технологията обаче тя се използва все по-често и за компоненти с крайно предназначение. Технологията за адитивно производство на метали, по-специално L-PBF, позволи производството на разнообразни метали с характеристики и издръжливост, подходящи за екстремни космически условия. Други технологии за 3D печат, като DED, струйно нанасяне на свързващи вещества и 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 технология за 3D печат за проектиране на аерокосмически компоненти.
Relativity Space разработва 3D принтер за аерокосмическата индустрия
3D технология за печат в аерокосмическата индустрия
След като ги представихме, нека разгледаме по-подробно различните технологии за 3D печат, използвани в аерокосмическата индустрия. Първо, трябва да се отбележи, че адитивното производство на метали, особено L-PBF, е най-широко използваното в тази област. Този процес включва използване на лазерна енергия за сливане на метален прах слой по слой. Той е особено подходящ за производство на малки, сложни, прецизни и персонализирани части. Производителите на аерокосмически продукти също могат да се възползват от DED (технологията на адитивно производство), която включва отлагане на метална тел или прах и се използва главно за ремонт, покритие или производство на персонализирани метални или керамични части.
За разлика от това, струйното нанасяне на свързващи вещества, макар и предимство по отношение на скоростта на производство и ниската цена, не е подходящо за производство на високопроизводителни механични части, тъй като изисква последващи стъпки за укрепване, които увеличават времето за производство на крайния продукт. Технологията на екструдиране е ефективна и в космическата среда. Трябва да се отбележи, че не всички полимери са подходящи за използване в космоса, но високопроизводителните пластмаси като PEEK могат да заменят някои метални части поради своята здравина. Този процес на 3D печат обаче все още не е много разпространен, но може да се превърне в ценен актив за космическите изследвания чрез използването на нови материали.
Лазерното сливане в прахово легло (L-PBF) е широко използвана технология в 3D печата за аерокосмическата индустрия.
Потенциал на космическите материали
Аерокосмическата индустрия проучва нови материали чрез 3D печат, предлагайки иновативни алтернативи, които могат да променят пазара. Докато метали като титан, алуминий и никел-хромови сплави винаги са били основен фокус, нов материал може скоро да открадне светлината на прожекторите: лунен реголит. Лунният реголит е слой прах, покриващ Луната, и ESA демонстрира ползите от комбинирането му с 3D печат. Адвенит Макая, старши производствен инженер в ESA, описва лунния реголит като подобен на бетон, съставен предимно от силиций и други химични 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 истинския лунен прах.
Повечето от процесите, свързани с производството на лунен реголит, използват топлина, което го прави съвместим с технологии като SLS и решения за прахово свързване и печат. ESA използва и D-Shape технология 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 по-фината му резолюция на печат, което му позволява да произвежда части с най-висока прецизност. Тази характеристика може да се превърне в основно предимство за разширяване на обхвата на приложения и производство на компоненти за бъдещи лунни бази.
Лунният реголит е навсякъде
Съществува и марсиански реголит, отнасящ се до подземен материал, открит на Марс. В момента международните космически агенции не могат да възстановят този материал, но това не е спряло учените да изследват 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 здравина и ще предпази оборудването от ръжда и радиационни повреди. Въпреки че тези два материала имат сходни свойства, лунният реголит все още е най-изпитаният материал. Друго предимство е, че тези материали могат да се произвеждат на място, без да е необходимо да се транспортират суровини от Земята. Освен това реголитът е неизчерпаем източник на материали, което помага за предотвратяване на недостига им.
Приложенията на 3D технологията за печат в аерокосмическата индустрия
Приложенията на технологията за 3D печат в аерокосмическата индустрия могат да варират в зависимост от използвания специфичен процес. Например, лазерното прахово сливане (L-PBF) може да се използва за производство на сложни краткосрочни части, като например инструментални системи или космически резервни части. Launcher, стартираща компания, базирана в Калифорния, използва технологията за 3D печат със сапфир и метал на Velo3D, за да подобри своя ракетен двигател с течно гориво E-2. Процесът на производителя е използван за създаване на индукционната турбина, която играе ключова роля в ускоряването и задвижването на LOX (течен кислород) в горивната камера. Турбината и сензорът са отпечатани с помощта на технология за 3D печат и след това са сглобени. Този иновативен компонент осигурява на ракетата по-голям поток на флуид и по-голяма тяга, което я прави съществена част от двигателя.
Velo3D допринесе за използването на PBF технологията при производството на ракетния двигател с течно гориво E-2.
Адитивното производство има широки приложения, включително производството на малки и големи конструкции. Например, технологии за 3D печат, като например решението Stargate на Relativity Space, могат да се използват за производство на големи части, като резервоари за ракетно гориво и лопатки на витлата. Relativity Space доказа това чрез успешното производство на Terran 1, почти изцяло 3D-принтирана ракета, включително резервоар за гориво с дължина няколко метра. Първото ѝ изстрелване на 23 март 2023 г. демонстрира ефективността и надеждността на процесите на адитивно производство.
Технологията за 3D печат, базирана на екструдиране, позволява производството на части, използващи високоефективни материали като PEEK. Компоненти, изработени от този термопластичен материал, 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 на екстремни лунни условия. Ако тестът е успешен, PEEK може да замени металните части в ситуации, в които металните части се чупят или материалите са оскъдни. Освен това, леките свойства на PEEK могат да бъдат ценни при космическите изследвания.
Технологията за 3D печат може да се използва за производството на различни части за аерокосмическата индустрия.
Предимства на 3D печата в аерокосмическата индустрия
Предимствата на 3D печата в аерокосмическата 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 проектиране, 3D отпечатаните продукти са по-ефективни и изискват по-малко ресурси. Това има положителен ефект върху въздействието върху околната среда от производството на части. Relativity Space демонстрира, че адитивното производство може значително да намали броя на компонентите, необходими за производството на космически кораби. За ракетата Terran 1 бяха спестени 100 части. Освен това тази технология има значителни предимства по отношение на скоростта на производство, като ракетата се завършва за по-малко от 60 дни. За разлика от това, производството на ракета с помощта на традиционни методи може да отнеме няколко години.
Що се отнася до управлението на ресурсите, 3D печатът 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 теглото при излитане на ракетите. Целта е да се увеличи максимално използването на местни материали, като реголит, и да се сведе до минимум транспортирането на материали в космическия кораб. Това прави възможно носенето само на 3D принтер, който може да създаде всичко на място след пътуването.
Made in Space вече изпрати един от своите 3D принтери в космоса за тестване.
Ограничения на 3D печата в космоса
Въпреки че 3D печатът има много предимства, технологията е все още сравнително нова и има ограничения. Адвенит Макая заяви: „Един от основните проблеми с адитивното производство в аерокосмическата индустрия е контролът и валидирането на процесите.“ Производителите могат да влязат в лабораторията и да тестват здравината, надеждността и микроструктурата на всяка част преди валидиране, процес, известен като безразрушителен контрол (NDT). Това обаче може да бъде едновременно времеемко и скъпо, така че крайната цел е да се намали нуждата 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 да подобри компютърните модели на продуктите, което ще помогне на инженерите да разберат по-добре производителността и ограниченията на частите, включително колко налягане могат да издържат преди счупване. По този начин центърът се надява да помогне за насърчаване на приложението на 3D печата в аерокосмическата индустрия, правейки го по-ефективен в конкуренцията с традиционните производствени техники.
Тези компоненти са преминали през обширни тестове за надеждност и здравина.
От друга страна, процесът на проверка е различен, ако производството се извършва в космоса. Адвенит Макая от ESA обяснява: „Съществува техника, която включва анализ 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 самокорекция за 3D принтери, предназначени за космоса, която се тества на метални машини. Тази система може да идентифицира потенциални грешки в производствения процес и автоматично да променя параметрите му, за да коригира всички дефекти в детайла. Очаква се тези две системи да подобрят надеждността на печатните продукти в космоса.
За да валидират 3D решенията за печат, НАСА и ЕКА са установили стандарти. Тези стандарти включват серия от тестове за определяне на надеждността на частите. Те разглеждат технологията за прахово сливане и я актуализират за други процеси. Въпреки това, много големи играчи в индустрията за материали, като Arkema, BASF, Dupont и Sabic, също осигуряват тази проследимост.
Да живееш в космоса?
С напредъка на технологията за 3D печат, видяхме много успешни проекти на Земята, които използват тази технология за изграждане на къщи. Това ни кара да се запитаме дали този процес може да се използва в близко или далечно бъдеще за изграждане на обитаеми структури в космоса. Макар че животът в космоса в момента е нереалистичен, изграждането на къщи, особено на Луната, може да бъде полезно за астронавтите при изпълнение на космически мисии. Целта на Европейската космическа агенция (ЕКА) е да изгради куполи на Луната, използвайки лунен реголит, който може да се използва за изграждане на стени или тухли за защита на астронавтите от радиация. Според Адвенит Макая от ЕКА, лунният реголит е съставен от около 60% метал и 40% кислород и е основен материал за оцеляването на астронавтите, защото може да осигури безкраен източник на кислород, ако бъде извлечен от този материал.
НАСА отпусна грант от 57,2 милиона долара на ICON за разработване на система за 3D печат за изграждане на конструкции на лунната повърхност и също така си сътрудничи с компанията за създаване на местообитание Mars Dune Alpha. Целта е да се тестват условията на живот на Марс, като доброволци живеят в местообитание в продължение на една година, симулирайки условията на Червената планета. Тези усилия представляват критични стъпки към директно изграждане на 3D отпечатани конструкции на Луната и Марс, което в крайна сметка би могло да проправи пътя за човешка колонизация на космоса.
В далечното бъдеще тези къщи биха могли да позволят оцеляването на живота в космоса.
Време на публикуване: 14 юни 2023 г.
