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 importante precum NASA și ESA au fost în fruntea explorării spațiului, iar un alt jucător important în această cucerire este imprimarea 3D.Cu capacitatea de a produce rapid piese complexe la costuri reduse, această tehnologie de design devine din ce în ce mai populară în companii.Face posibilă crearea multor aplicații, cum ar fi sateliți, costume spațiale și componente pentru rachete.De fapt, potrivit SmarTech, valoarea de piață a producției aditive din industria spațială privată este de așteptat să atingă 2,1 miliarde EUR până în 2026. Acest lucru ridică întrebarea: Cum poate imprimarea 3D să ajute oamenii să exceleze în spațiu?
Inițial, imprimarea 3D a fost folosită în principal pentru prototiparea rapidă în industria medicală, auto și aerospațială.Cu toate acestea, pe măsură ce tehnologia a devenit mai răspândită, este folosită din ce în ce mai mult pentru componentele cu scop final.Tehnologia de fabricație aditivă a metalelor, în special L-PBF, a permis producerea unei varietăți de metale cu caracteristici și durabilitate potrivite pentru condiții de spațiu extreme.Alte tehnologii de imprimare 3D, cum ar fi DED, jet de liant și procesul de extrudare, sunt, de asemenea, utilizate la 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 domeniul aerospațial
Acum că le-am introdus, să aruncăm o privire mai atentă asupra diferitelor tehnologii de imprimare 3D utilizate în industria aerospațială.În primul rând, trebuie remarcat faptul că fabricarea aditivelor metalice, în special L-PBF, este cea mai utilizată în acest domeniu.Acest proces implică utilizarea energiei laser pentru a fuziona strat cu strat pulberea metalică.Este potrivit în special pentru producerea de piese mici, complexe, precise și personalizate.Producătorii aerospațiali pot beneficia și de DED, care implică depunerea de sârmă sau pulbere metalică și este utilizat în principal pentru repararea, acoperirea sau producerea de piese metalice sau ceramice personalizate.
În schimb, jetul de liant, deși avantajos din punct de vedere al vitezei de producție și al costului redus, nu este potrivit pentru producerea de piese mecanice de înaltă performanță deoarece necesită etape de consolidare post-procesare care măresc timpul de fabricație al produsului final.Tehnologia de extrudare este eficientă și în mediul spațial.Trebuie remarcat faptul că nu toți polimerii sunt potriviți pentru utilizare în spațiu, dar materialele plastice de înaltă performanță precum 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.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) este o tehnologie utilizată pe scară largă în imprimarea 3D pentru industria aerospațială.
Potenţialul materialelor spaţiale
Industria aerospațială a explorat noi materiale prin imprimarea 3D, propunând alternative inovatoare care pot perturba piața.În timp ce metalele precum titanul, aluminiul și aliajele de nichel-crom au fost întotdeauna principalul obiectiv, 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, un inginer senior de producție al ESA, descrie regolitul lunar ca fiind similar cu betonul, 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 roți dințate, folosind regolitul lunar simulat cu proprietăți similare prafului lunar real.
Majoritatea proceselor implicate în fabricarea regolitului lunar utilizează căldura, făcându-l compatibil cu tehnologii precum SLS și soluții de imprimare prin lipire cu pulbere.ESA folosește, de asemenea, tehnologia D-Shape cu scopul de a produce părți solide prin amestecarea clorurii de magneziu cu materiale și combinând-o cu oxidul de magneziu găsit în specimenul simulat.Unul dintre avantajele semnificative ale acestui material lunar este rezoluția sa de imprimare mai fină, permițându-i să producă piese cu cea mai mare precizie.Această caracteristică ar putea deveni atuul principal în extinderea gamei de aplicații și a componentelor de fabricație pentru viitoarele baze lunare.
Regolitul lunar este peste tot
Există, de asemenea, regolitul marțian, care se referă 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-și 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 ale rachetei.Rezultatele inițiale indică faptul că acest material va oferi o rezistență mai mare și va proteja echipamentul de rugină și daune cauzate 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 de transportul materiilor prime de pe Pământ.În plus, regolitul este o sursă materială inepuizabilă, ajutând la prevenirea penuriei.
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 strat de pulbere cu laser (L-PBF) poate fi utilizată pentru a fabrica piese complicate 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 din safir-metal de la Velo3D pentru a-și îmbunătăți motorul de rachetă lichid E-2.Procesul producătorului a fost folosit pentru a crea turbina cu inducție, care joacă un rol crucial în accelerarea și conducerea LOX (oxigen lichid) în camera de ardere.Turbina și senzorul au fost fiecare imprimat folosind tehnologia de imprimare 3D și apoi asamblate.Această componentă inovatoare oferă rachetei un flux mai mare de fluid și o forță mai mare, făcând-o 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 a fabrica piese mari, cum ar fi rezervoarele de combustibil pentru rachete și palele elicei.Relativity Space a dovedit acest lucru prin producția de 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 pe bază de extrudare permite, de asemenea, producția de piese folosind materiale de înaltă performanță, cum ar fi PEEK.Componentele realizate 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 condiții lunare extreme.Dacă are succes, PEEK poate fi capabil să înlocuiască piesele metalice în situații în care piesele metalice se sparg sau materialele sunt rare.În plus, proprietățile ușoare ale PEEK pot fi de valoare în explorarea spațiului.
Tehnologia de imprimare 3D poate fi folosită pentru a produce o varietate 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 fabricarea aditivă poate reduce semnificativ numărul de componente necesare pentru fabricarea navelor spațiale.Pentru racheta Terran 1, au fost salvate 100 de piese.În plus, această tehnologie are avantaje semnificative în 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 permite chiar și reciclarea deșeurilor.În cele din urmă, fabricarea aditivă poate deveni un activ 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 de materiale în cadrul navelor spațiale.Acest lucru face posibilă transportarea doar a 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 producției aditive în industria aerospațială este controlul și validarea proceselor”.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 reducerea necesității acestor teste.NASA a înființat recent un centru pentru a aborda această problemă, axat pe certificarea rapidă a componentelor metalice fabricate prin fabricarea aditivă.Centrul își propune să folosească gemeni digitali pentru a îmbunătăți modelele computerizate ale produselor, ceea ce îi va ajuta pe ingineri să înțeleagă mai bine performanța și limitările pieselor, inclusiv cât de multă presiune pot rezista 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 fabricarea 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 ce produse tipărite sunt potrivite și care nu.În plus, există un sistem de autocorecție pentru imprimantele 3D destinate spațiului și este testat pe mașini metalice.Acest sistem poate identifica erorile potențiale în procesul de fabricație și poate modifica automat parametrii acestuia pentru a corecta eventualele defecte ale piesei.Se așteaptă ca aceste două sisteme să îmbunătățească fiabilitatea produselor tipărite 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.Ei iau în considerare tehnologia de fuziune în pat de pulbere și le actualizează pentru alte procese.Cu toate acestea, mulți jucători importanți din industria materialelor, cum ar fi Arkema, BASF, Dupont și Sabic, oferă și ei această trasabilitate.
Trăiește în spațiu?
Odată cu progresul tehnologiei de imprimare 3D, am văzut multe proiecte de succes pe Pământ care folosesc 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.În timp ce 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 domuri pe Lună folosind regolitul lunar, care poate fi folosit pentru a construi ziduri sau cărămizi pentru a proteja astronauții de radiații.Potrivit 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 un grant de 57,2 milioane de dolari lui ICON pentru dezvoltarea unui sistem de imprimare 3D pentru construirea de structuri pe suprafața lunară și, de asemenea, colaborează cu compania pentru a crea un habitat Mars Dune Alpha.Scopul este de a testa condițiile de viață de pe Marte, asigurând voluntari să trăiască într-un habitat timp de un an, simulând condițiile de pe Planeta Roșie.Aceste eforturi reprezintă pași esențiali către construirea directă a structurilor imprimate 3D pe Lună și Marte, care ar putea în cele din urmă să deschidă calea pentru colonizarea spațiului uman.
În viitorul îndepărtat, aceste case ar putea permite vieții să supraviețuiască în spațiu.
Ora postării: 14-jun-2023