Alates 20. sajandist on inimkond olnud lummatud kosmose uurimisest ja Maast kaugemal asuva mõistmisest. Suured organisatsioonid, nagu NASA ja ESA, on olnud kosmoseuuringute esirinnas ning teine oluline tegija selles vallutuses on 3D-printimine. Tänu võimele toota kiiresti ja madala hinnaga keerukaid osi on see disainitehnoloogia ettevõtetes üha populaarsemaks muutumas. See võimaldab luua paljusid rakendusi, nagu satelliidid, skafandrid ja raketikomponendid. Tegelikult eeldatakse SmarTechi andmetel, et erasektori kosmosetööstuse lisandite tootmise turuväärtus ulatub 2026. aastaks 2,1 miljardi euroni. See tõstatab küsimuse: kuidas saab 3D-printimine aidata inimestel kosmoses silma paista?
Algselt kasutati 3D-printimist peamiselt kiireks prototüüpimiseks meditsiini-, auto- ja lennundustööstuses. Kuid kuna tehnoloogia on muutunud laialdasemaks, kasutatakse seda üha enam lõppotstarbeliste komponentide jaoks. Metallide lisandite tootmise tehnoloogia, eriti L-PBF, on võimaldanud toota mitmesuguseid metalle, mille omadused ja vastupidavus sobivad äärmuslikeks kosmosetingimusteks. Lennunduskomponentide tootmisel kasutatakse ka teisi 3D-printimise tehnoloogiaid, nagu DED, sideainepritsimine ja ekstrusiooniprotsess. Viimastel aastatel on tekkinud uued ärimudelid, kus ettevõtted nagu Made in Space ja Relativity Space kasutavad 3D-printimise tehnoloogiat lennunduskomponentide disainimiseks.
Relativity Space arendab 3D-printerit lennundustööstusele
3D-printimise tehnoloogia lennunduses
Nüüd, kui oleme need tutvustanud, vaatleme lähemalt erinevaid 3D-printimise tehnoloogiaid, mida lennundustööstuses kasutatakse. Esiteks tuleb märkida, et metalli lisandite tootmine, eriti L-PBF, on selles valdkonnas kõige laialdasemalt kasutatav. See protsess hõlmab laserenergia kasutamist metallipulbri kiht kihi haaval sulatamiseks. See sobib eriti väikeste, keerukate, täpsete ja kohandatud osade tootmiseks. Lennundustootjad saavad samuti kasu DED-st, mis hõlmab metalltraadi või -pulbri sadestamist ja mida kasutatakse peamiselt metall- või keraamiliste osade parandamiseks, katmiseks või kohandatud tootmiseks.
Seevastu sideainepritsimine, kuigi see on tootmiskiiruse ja madalate kulude poolest eeliseks, ei sobi suure jõudlusega mehaaniliste osade tootmiseks, kuna see nõuab järeltöötlust tugevdavaid etappe, mis pikendavad lõpptoote valmistamisaega. Ekstrusioonitehnoloogia on efektiivne ka kosmosekeskkonnas. Tuleb märkida, et mitte kõik polümeerid ei sobi kosmoses kasutamiseks, kuid suure jõudlusega plastid, näiteks PEEK, võivad oma tugevuse tõttu asendada mõningaid metalldetaile. See 3D-printimisprotsess ei ole aga veel väga laialt levinud, kuid uute materjalide kasutamise tõttu võib see muutuda väärtuslikuks ressursiks kosmoseuuringutes.
Laserpulverkihtsulatus (L-PBF) on laialdaselt kasutatav tehnoloogia 3D-printimisel lennunduses.
Kosmosematerjalide potentsiaal
Lennundustööstus on uurinud uusi materjale 3D-printimise abil, pakkudes välja uuenduslikke alternatiive, mis võivad turgu häirida. Kuigi metallid nagu titaan, alumiinium ja nikkel-kroomi sulamid on alati olnud peamisel fookuses, võib peagi rambivalgusesse sattuda uus materjal: Kuu regoliit. Kuu regoliit on Kuud kattev tolmukiht ja ESA on demonstreerinud selle kombineerimise eeliseid 3D-printimisega. ESA vanem tootmisinsener Advenit Makaya kirjeldab Kuu regoliiti kui betooni sarnast materjali, mis koosneb peamiselt ränist ja muudest keemilistest elementidest, nagu raud, magneesium, alumiinium ja hapnik. ESA on teinud koostööd Lithoziga, et toota väikeseid funktsionaalseid osi, nagu kruvid ja hammasrattad, kasutades simuleeritud Kuu regoliiti, mille omadused sarnanevad päris Kuu tolmuga.
Enamik Kuu regoliidi tootmisprotsessidest kasutab kuumust, mistõttu see ühildub selliste tehnoloogiatega nagu SLS ja pulberühendamisega trükilahendused. ESA kasutab ka D-kuju tehnoloogiat, mille eesmärk on toota tahkeid detaile, segades magneesiumkloriidi materjalidega ja kombineerides seda simuleeritud proovis leiduva magneesiumoksiidiga. Selle Kuu materjali üks olulisi eeliseid on peenem trükiresolutsioon, mis võimaldab toota detaile suurima täpsusega. See omadus võib saada peamiseks eeliseks tulevaste Kuu baaside rakenduste ja tootmiskomponentide valiku laiendamisel.
Kuu regoliit on kõikjal
Samuti on olemas Marsi regoliit, mis viitab Marsi pinnalt leitud pinnasealusele materjalile. Praegu ei saa rahvusvahelised kosmoseagentuurid seda materjali kätte, kuid see ei ole takistanud teadlasi uurimast selle potentsiaali teatud lennundusprojektides. Teadlased kasutavad selle materjali simuleeritud näidiseid ja kombineerivad seda titaanisulamiga tööriistade või raketikomponentide tootmiseks. Esialgsed tulemused näitavad, et see materjal pakub suuremat tugevust ja kaitseb seadmeid roostetamise ja kiirguskahjustuste eest. Kuigi neil kahel materjalil on sarnased omadused, on Kuu regoliit endiselt enim testitud materjal. Teine eelis on see, et neid materjale saab kohapeal toota ilma vajaduseta toormaterjale Maalt transportida. Lisaks on regoliit ammendamatu materjaliallikas, mis aitab vältida nappust.
3D-printimistehnoloogia rakendused lennunduses ja kosmosetööstuses
3D-printimistehnoloogia rakendused lennunduses võivad varieeruda sõltuvalt kasutatavast protsessist. Näiteks laserpulverkihtsulatusmeetodit (L-PBF) saab kasutada keerukate lühiajaliste osade, näiteks tööriistasüsteemide või kosmosevaruosade valmistamiseks. Californias asuv idufirma Launcher kasutas Velo3D safiirmetalli 3D-printimistehnoloogiat oma E-2 vedelkütusega rakettmootori täiustamiseks. Tootja protsessi kasutati induktsioonturbiini loomiseks, millel on oluline roll vedela hapniku (LOX) kiirendamisel ja juhtimisel põlemiskambrisse. Nii turbiin kui ka andur trükiti 3D-printimistehnoloogia abil ja seejärel monteeriti. See uuenduslik komponent annab raketile suurema vedeliku voolu ja suurema tõukejõu, muutes selle mootori oluliseks osaks.
Velo3D panustas PBF-tehnoloogia kasutamisse E-2 vedelkütusega rakettmootori tootmisel.
Lisandite tootmisel on lai rakendusala, sealhulgas väikeste ja suurte konstruktsioonide tootmine. Näiteks 3D-printimise tehnoloogiaid, nagu Relativity Space'i Stargate'i lahendus, saab kasutada suurte osade, näiteks raketikütusepaakide ja propellerite labade tootmiseks. Relativity Space on seda tõestanud Terran 1 eduka tootmisega, mis on peaaegu täielikult 3D-prinditud rakett, sealhulgas mitme meetri pikkune kütusepaak. Selle esimene start 23. märtsil 2023 näitas lisandite tootmise protsesside tõhusust ja usaldusväärsust.
Ekstrusioonil põhinev 3D-printimise tehnoloogia võimaldab toota osi ka kõrgjõudlusega materjalidest, näiteks PEEK-ist. Sellest termoplastist valmistatud komponente on juba kosmoses testitud ja need paigutati Rashidi kulgurile AÜE kuumissiooni osana. Selle testi eesmärk oli hinnata PEEK-i vastupidavust äärmuslikele kuutingimustele. Edu korral võib PEEK-iga asendada metalldetaile olukordades, kus metalldetailid purunevad või materjale on vähe. Lisaks võivad PEEK-i kerged omadused olla väärtuslikud kosmoseuuringutes.
3D-printimise tehnoloogiat saab kasutada mitmesuguste osade tootmiseks lennundustööstuses.
3D-printimise eelised lennundustööstuses
3D-printimise eeliste hulka lennundustööstuses kuulub detailide parem lõpptulemus võrreldes traditsiooniliste ehitustehnikatega. Austria 3D-printerite tootja Lithoz tegevjuht Johannes Homa ütles, et "see tehnoloogia muudab detailid kergemaks". Tänu disainivabadusele on 3D-prinditud tooted tõhusamad ja vajavad vähem ressursse. Sellel on positiivne mõju detailide tootmise keskkonnamõjule. Relativity Space on näidanud, et lisandtootmine võib oluliselt vähendada kosmoseaparaatide tootmiseks vajalike komponentide arvu. Terran 1 raketi puhul säästeti 100 detaili. Lisaks on sellel tehnoloogial märkimisväärsed eelised tootmiskiiruse osas, kusjuures raketi valmimine võtab vähem kui 60 päeva. Seevastu raketi tootmine traditsiooniliste meetoditega võib võtta mitu aastat.
Ressursside haldamise osas aitab 3D-printimine säästa materjale ja mõnel juhul isegi jäätmete ringlussevõttu. Lõpuks võib lisandite tootmine olla väärtuslikuks abivahendiks rakettide stardikaalu vähendamisel. Eesmärk on maksimeerida kohalike materjalide, näiteks regoliidi, kasutamist ja minimeerida materjalide transporti kosmoselaevade sees. See võimaldab kaasas kanda ainult 3D-printerit, millega saab pärast reisi kõik kohapeal luua.
Made in Space on juba saatnud ühe oma 3D-printeritest kosmosesse testimiseks.
3D-printimise piirangud kosmoses
Kuigi 3D-printimisel on palju eeliseid, on see tehnoloogia siiski suhteliselt uus ja sellel on piirangud. Advenit Makaya väitis: "Üks peamisi probleeme lisandite tootmisega lennunduses on protsessi juhtimine ja valideerimine." Tootjad saavad enne valideerimist siseneda laborisse ja testida iga detaili tugevust, töökindlust ja mikrostruktuuri, mida nimetatakse mittepurustavaks testimiseks (NDT). See võib aga olla nii aeganõudev kui ka kulukas, seega on lõppeesmärk vähendada nende testide vajadust. NASA asutas hiljuti selle probleemi lahendamiseks keskuse, mis keskendub lisandite tootmise teel toodetud metallkomponentide kiirele sertifitseerimisele. Keskuse eesmärk on kasutada digitaalseid kaksikuid toodete arvutimudelite täiustamiseks, mis aitab inseneridel paremini mõista osade toimivust ja piiranguid, sealhulgas seda, kui palju survet nad enne purunemist taluvad. Sellega loodab keskus aidata edendada 3D-printimise rakendamist lennunduses, muutes selle traditsiooniliste tootmistehnikatega konkureerimisel tõhusamaks.
Need komponendid on läbinud põhjaliku töökindluse ja tugevuse testimise.
Teisest küljest on kontrolliprotsess erinev, kui tootmine toimub kosmoses. ESA Advenit Makaya selgitab: "On olemas tehnika, mis hõlmab osade analüüsimist printimise ajal." See meetod aitab kindlaks teha, millised trükitud tooted sobivad ja millised mitte. Lisaks on olemas kosmosesse mõeldud 3D-printerite jaoks enesekorrigeerimissüsteem, mida testitakse metallimasinatel. See süsteem suudab tuvastada tootmisprotsessis võimalikke vigu ja muuta automaatselt oma parameetreid, et parandada kõik detaili defektid. Need kaks süsteemi peaksid parandama trükitud toodete usaldusväärsust kosmoses.
3D-printimislahenduste valideerimiseks on NASA ja ESA kehtestanud standardid. Need standardid hõlmavad osade töökindluse määramiseks mitmeid teste. Nad arvestavad pulbervoodisulatustehnoloogiaga ja ajakohastavad neid teiste protsesside jaoks. Siiski pakuvad seda jälgitavust ka paljud suured materjalitööstuse tegijad, näiteks Arkema, BASF, Dupont ja Sabic.
Elu kosmoses?
3D-printimise tehnoloogia arenedes oleme näinud Maal palju edukaid projekte, mis kasutavad seda tehnoloogiat majade ehitamiseks. See paneb meid mõtlema, kas seda protsessi võiks lähitulevikus kasutada elamiskõlblike ehitiste ehitamiseks kosmoses. Kuigi kosmoses elamine on praegu ebareaalne, võib majade ehitamine, eriti Kuul, olla astronautidele kosmosemissioonide läbiviimisel kasulik. Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) eesmärk on ehitada Kuule kuplid, kasutades Kuu regoliiti, mida saab kasutada seinte või telliste ehitamiseks, et kaitsta astronaude kiirguse eest. ESA Advenit Makaya sõnul koosneb Kuu regoliit umbes 60% metallist ja 40% hapnikust ning on astronautide ellujäämiseks oluline materjal, kuna see võib sellest materjalist eraldades pakkuda lõputut hapnikuallikat.
NASA on andnud ICONile 57,2 miljoni dollari suuruse toetuse 3D-printimissüsteemi arendamiseks Kuu pinnale konstruktsioonide ehitamiseks ning teeb ettevõttega koostööd ka Mars Dune Alpha elupaiga loomiseks. Eesmärk on testida elutingimusi Marsil, lastes vabatahtlikel elada ühe aasta jooksul elupaigas, simuleerides tingimusi Punasel Planeedil. Need jõupingutused on olulised sammud 3D-prinditud konstruktsioonide otse ehitamise suunas Kuule ja Marsile, mis võiks lõpuks sillutada teed inimeste kosmosekoloniseerimisele.
Kauges tulevikus võiksid need majad võimaldada elu kosmoses ellujäämist.
Postituse aeg: 14. juuni 2023
