Încă din secolul al XX-lea, rasa umană a fost fascinată de explorarea spațiului și de înțelegerea a ceea ce se află dincolo de Pământ. Organizații majore precum NASA și ESA s-au aflat în avangarda explorării spațiului, iar un alt jucător important în această cucerire este imprimarea 3D. Având capacitatea de a produce rapid piese complexe la costuri reduse, această tehnologie de proiectare devine din ce în ce mai populară în rândul companiilor. Face posibilă crearea a numeroase aplicații, cum ar fi sateliți, costume spațiale și componente de rachete. De fapt, potrivit SmarTech, valoarea de piață a producției aditive din industria spațială privată este estimată să ajungă la 2,1 miliarde de euro până în 2026. Acest lucru ridică întrebarea: Cum poate imprimarea 3D să ajute oamenii să exceleze în spațiu?
Inițial, imprimarea 3D a fost utilizată în principal pentru prototiparea rapidă în industria medicală, auto și aerospațială. Cu toate acestea, pe măsură ce tehnologia a devenit mai răspândită, este utilizată din ce în ce mai mult pentru componente finale. Tehnologia de fabricație aditivă metalică, în special L-PBF, a permis producerea unei varietăți de metale cu caracteristici și durabilitate potrivite pentru condiții spațiale extreme. Alte tehnologii de imprimare 3D, cum ar fi DED, jet de lianți și procesul de extrudare, sunt, de asemenea, utilizate în fabricarea componentelor aerospațiale. În ultimii ani, au apărut noi modele de afaceri, companii precum Made in Space și Relativity Space utilizând tehnologia de imprimare 3D pentru a proiecta componente aerospațiale.
Relativity Space dezvoltă o imprimantă 3D pentru industria aerospațială
Tehnologia de imprimare 3D în industria aerospațială
Acum că le-am prezentat, haideți să aruncăm o privire mai atentă asupra diferitelor tehnologii de imprimare 3D utilizate în industria aerospațială. În primul rând, trebuie menționat că fabricația aditivă metalică, în special L-PBF, este cea mai utilizată în acest domeniu. Acest proces implică utilizarea energiei laser pentru a topi pulberea metalică strat cu strat. Este potrivit în special pentru producerea de piese mici, complexe, precise și personalizate. Producătorii aerospațiali pot beneficia, de asemenea, de DED, care implică depunerea de sârmă sau pulbere metalică și este utilizată în principal pentru repararea, acoperirea sau producerea de piese metalice sau ceramice personalizate.
În schimb, imprimarea cu jet de lianți, deși avantajoasă din punct de vedere al vitezei de producție și al costului redus, nu este potrivită pentru producerea de piese mecanice de înaltă performanță, deoarece necesită etape de întărire post-procesare care cresc timpul de fabricație al produsului final. Tehnologia de extrudare este eficientă și în mediul spațial. Trebuie menționat că nu toți polimerii sunt potriviți pentru utilizare în spațiu, dar materialele plastice de înaltă performanță, cum ar fi PEEK, pot înlocui unele piese metalice datorită rezistenței lor. Cu toate acestea, acest proces de imprimare 3D nu este încă foarte răspândit, dar poate deveni un atu valoros pentru explorarea spațiului prin utilizarea de noi materiale.
Fuziunea cu pat de pulbere laser (L-PBF) este o tehnologie utilizată pe scară largă în imprimarea 3D în industria aerospațială.
Potențialul materialelor spațiale
Industria aerospațială explorează noi materiale prin imprimarea 3D, propunând alternative inovatoare care ar putea revoluționa piața. În timp ce metalele precum titanul, aluminiul și aliajele de nichel-crom au fost întotdeauna în centrul atenției, un nou material ar putea fura în curând lumina reflectoarelor: regolitul lunar. Regolitul lunar este un strat de praf care acoperă luna, iar ESA a demonstrat beneficiile combinării acestuia cu imprimarea 3D. Advenit Makaya, inginer senior de producție la ESA, descrie regolitul lunar ca fiind similar betonului, alcătuit în principal din siliciu și alte elemente chimice precum fier, magneziu, aluminiu și oxigen. ESA a încheiat un parteneriat cu Lithoz pentru a produce piese funcționale mici, cum ar fi șuruburi și angrenaje, folosind regolit lunar simulat cu proprietăți similare prafului lunar real.
Majoritatea proceselor implicate în fabricarea regolitului lunar utilizează căldură, ceea ce îl face compatibil cu tehnologii precum SLS și soluții de imprimare cu pulbere. ESA utilizează, de asemenea, tehnologia D-Shape cu scopul de a produce piese solide prin amestecarea clorurii de magneziu cu materiale și combinarea acesteia cu oxidul de magneziu găsit în specimenul simulat. Unul dintre avantajele semnificative ale acestui material lunar este rezoluția sa mai fină de imprimare, permițându-i să producă piese cu cea mai mare precizie. Această caracteristică ar putea deveni principalul atu în extinderea gamei de aplicații și a componentelor de fabricație pentru viitoarele baze lunare.
Regolitul lunar este peste tot
Există și regolitul marțian, referindu-se la materialul subteran găsit pe Marte. În prezent, agențiile spațiale internaționale nu pot recupera acest material, dar acest lucru nu i-a împiedicat pe oamenii de știință să-i cerceteze potențialul în anumite proiecte aerospațiale. Cercetătorii folosesc specimene simulate ale acestui material și îl combină cu aliaj de titan pentru a produce unelte sau componente de rachetă. Rezultatele inițiale indică faptul că acest material va oferi o rezistență mai mare și va proteja echipamentele de rugină și daune provocate de radiații. Deși aceste două materiale au proprietăți similare, regolitul lunar este încă cel mai testat material. Un alt avantaj este că aceste materiale pot fi fabricate la fața locului, fără a fi nevoie să se transporte materii prime de pe Pământ. În plus, regolitul este o sursă inepuizabilă de materiale, contribuind la prevenirea rarității.
Aplicațiile tehnologiei de imprimare 3D în industria aerospațială
Aplicațiile tehnologiei de imprimare 3D în industria aerospațială pot varia în funcție de procesul specific utilizat. De exemplu, fuziunea cu pat de pulbere cu laser (L-PBF) poate fi utilizată pentru fabricarea de piese complexe pe termen scurt, cum ar fi sisteme de scule sau piese de schimb spațiale. Launcher, un startup din California, a folosit tehnologia de imprimare 3D cu safir-metal de la Velo3D pentru a-și îmbunătăți motorul rachetă lichid E-2. Procesul producătorului a fost utilizat pentru a crea turbina de inducție, care joacă un rol crucial în accelerarea și antrenarea LOX (oxigen lichid) în camera de ardere. Turbina și senzorul au fost imprimate fiecare folosind tehnologia de imprimare 3D și apoi asamblate. Această componentă inovatoare oferă rachetei un flux de fluid mai mare și o forță de tracțiune mai mare, ceea ce o face o parte esențială a motorului.
Velo3D a contribuit la utilizarea tehnologiei PBF în fabricarea motorului rachetă lichid E-2.
Fabricația aditivă are aplicații largi, inclusiv producția de structuri mici și mari. De exemplu, tehnologiile de imprimare 3D, cum ar fi soluția Stargate de la Relativity Space, pot fi utilizate pentru fabricarea de piese mari, cum ar fi rezervoarele de combustibil pentru rachete și palele elicelor. Relativity Space a dovedit acest lucru prin producția cu succes a Terran 1, o rachetă aproape în întregime imprimată 3D, inclusiv un rezervor de combustibil lung de câțiva metri. Prima sa lansare, pe 23 martie 2023, a demonstrat eficiența și fiabilitatea proceselor de fabricație aditivă.
Tehnologia de imprimare 3D bazată pe extrudare permite, de asemenea, producerea de piese folosind materiale de înaltă performanță, cum ar fi PEEK. Componentele fabricate din acest termoplastic au fost deja testate în spațiu și au fost plasate pe roverul Rashid ca parte a misiunii lunare din Emiratele Arabe Unite. Scopul acestui test a fost de a evalua rezistența PEEK la condițiile lunare extreme. Dacă va avea succes, PEEK ar putea înlocui piesele metalice în situațiile în care acestea se rup sau materialele sunt rare. În plus, proprietățile de greutate redusă ale PEEK ar putea fi valoroase în explorarea spațiului.
Tehnologia de imprimare 3D poate fi utilizată pentru fabricarea unei varietăți de piese pentru industria aerospațială.
Avantajele imprimării 3D în industria aerospațială
Avantajele imprimării 3D în industria aerospațială includ aspectul final îmbunătățit al pieselor în comparație cu tehnicile tradiționale de construcție. Johannes Homa, CEO al producătorului austriac de imprimante 3D Lithoz, a declarat că „această tehnologie face piesele mai ușoare”. Datorită libertății de proiectare, produsele imprimate 3D sunt mai eficiente și necesită mai puține resurse. Acest lucru are un impact pozitiv asupra impactului asupra mediului al producției de piese. Relativity Space a demonstrat că fabricația aditivă poate reduce semnificativ numărul de componente necesare pentru fabricarea navelor spațiale. Pentru racheta Terran 1, au fost economisite 100 de piese. În plus, această tehnologie are avantaje semnificative în ceea ce privește viteza de producție, racheta fiind finalizată în mai puțin de 60 de zile. În schimb, fabricarea unei rachete folosind metode tradiționale ar putea dura câțiva ani.
În ceea ce privește gestionarea resurselor, imprimarea 3D poate economisi materiale și, în unele cazuri, poate chiar permite reciclarea deșeurilor. În cele din urmă, fabricația aditivă poate deveni un atu valoros pentru reducerea greutății la decolare a rachetelor. Scopul este de a maximiza utilizarea materialelor locale, cum ar fi regolitul, și de a minimiza transportul materialelor în interiorul navelor spațiale. Acest lucru face posibilă transportul doar al unei imprimante 3D, care poate crea totul la fața locului după călătorie.
Made in Space a trimis deja una dintre imprimantele lor 3D în spațiu pentru testare.
Limitările imprimării 3D în spațiu
Deși imprimarea 3D are multe avantaje, tehnologia este încă relativ nouă și are limitări. Advenit Makaya a declarat: „Una dintre principalele probleme ale fabricației aditive în industria aerospațială este controlul și validarea procesului.” Producătorii pot intra în laborator și pot testa rezistența, fiabilitatea și microstructura fiecărei piese înainte de validare, un proces cunoscut sub numele de testare nedistructivă (NDT). Cu toate acestea, acest lucru poate fi atât consumator de timp, cât și costisitor, așa că scopul final este de a reduce nevoia acestor teste. NASA a înființat recent un centru pentru a aborda această problemă, axat pe certificarea rapidă a componentelor metalice fabricate prin fabricație aditivă. Centrul își propune să utilizeze gemeni digitali pentru a îmbunătăți modelele computerizate ale produselor, ceea ce va ajuta inginerii să înțeleagă mai bine performanța și limitele pieselor, inclusiv câtă presiune pot suporta înainte de fractură. Procedând astfel, centrul speră să contribuie la promovarea aplicării imprimării 3D în industria aerospațială, făcând-o mai eficientă în concurența cu tehnicile tradiționale de fabricație.
Aceste componente au fost supuse unor teste complete de fiabilitate și rezistență.
Pe de altă parte, procesul de verificare este diferit dacă fabricația se face în spațiu. Advenit Makaya de la ESA explică: „Există o tehnică care implică analizarea pieselor în timpul imprimării.” Această metodă ajută la determinarea produselor imprimate care sunt potrivite și care nu. În plus, există un sistem de autocorecție pentru imprimantele 3D destinate spațiului, care este testat pe mașini metalice. Acest sistem poate identifica potențiale erori în procesul de fabricație și își poate modifica automat parametrii pentru a corecta orice defecte ale piesei. Se așteaptă ca aceste două sisteme să îmbunătățească fiabilitatea produselor imprimate în spațiu.
Pentru a valida soluțiile de imprimare 3D, NASA și ESA au stabilit standarde. Aceste standarde includ o serie de teste pentru a determina fiabilitatea pieselor. Acestea iau în considerare tehnologia de fuziune în pat de pulbere și le actualizează pentru alte procese. Cu toate acestea, mulți jucători majori din industria materialelor, cum ar fi Arkema, BASF, Dupont și Sabic, oferă și această trasabilitate.
Trăind în spațiu?
Odată cu avansarea tehnologiei de imprimare 3D, am văzut numeroase proiecte de succes pe Pământ care utilizează această tehnologie pentru a construi case. Acest lucru ne face să ne întrebăm dacă acest proces ar putea fi folosit în viitorul apropiat sau îndepărtat pentru a construi structuri locuibile în spațiu. Deși viața în spațiu este în prezent nerealistă, construirea de case, în special pe Lună, poate fi benefică pentru astronauți în executarea misiunilor spațiale. Scopul Agenției Spațiale Europene (ESA) este de a construi cupole pe Lună folosind regolit lunar, care poate fi folosit pentru a construi pereți sau cărămizi pentru a proteja astronauții de radiații. Potrivit lui Advenit Makaya de la ESA, regolitul lunar este compus din aproximativ 60% metal și 40% oxigen și este un material esențial pentru supraviețuirea astronauților, deoarece poate oferi o sursă nesfârșită de oxigen dacă este extras din acest material.
NASA a acordat o subvenție de 57,2 milioane de dolari companiei ICON pentru dezvoltarea unui sistem de imprimare 3D pentru construirea de structuri pe suprafața lunară și colaborează, de asemenea, cu compania pentru a crea un habitat Mars Dune Alpha. Scopul este de a testa condițiile de viață de pe Marte prin implicarea unor voluntari care locuiesc într-un habitat timp de un an, simulând condițiile de pe Planeta Roșie. Aceste eforturi reprezintă pași critici către construirea directă a structurilor imprimate 3D pe Lună și pe Marte, ceea ce ar putea deschide calea pentru colonizarea spațiului de către oameni.
În viitorul îndepărtat, aceste case ar putea permite supraviețuirea vieții în spațiu.
Data publicării: 14 iunie 2023
