Alates 20. sajandist on inimkond olnud lummatud kosmose uurimisest ja Maast kaugemal asuvate asjade mõistmisest.Suured organisatsioonid, nagu NASA ja ESA, on olnud kosmoseuuringute esirinnas ning teine oluline tegija selles vallutuses on 3D-printimine.Tänu võimalusele kiiresti ja madala hinnaga keerukaid osi toota, muutub see disainitehnoloogia ettevõtetes üha populaarsemaks.See võimaldab luua paljusid rakendusi, nagu satelliite, skafandreid ja raketikomponente.Tegelikult peaks SmarTechi andmetel erakosmosetööstuse lisaainete tootmise turuväärtus 2026. aastaks ulatuma 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 kosmosetööstuses.Kuid kuna tehnoloogia on laiemalt levinud, kasutatakse seda üha enam lõppotstarbeliste komponentide jaoks.Metallilisandite tootmistehnoloogia, eriti L-PBF, on võimaldanud toota mitmesuguseid metalle, mille omadused ja vastupidavus sobivad äärmuslikesse ruumitingimustesse.Lennunduses kasutatavate komponentide valmistamisel kasutatakse ka muid 3D-printimise tehnoloogiaid, nagu DED, sideainejoa ja ekstrusiooniprotsess.Viimastel aastatel on tekkinud uued ärimudelid, kus sellised ettevõtted nagu Made in Space ja Relativity Space kasutavad kosmosekomponentide kujundamisel 3D-printimise tehnoloogiat.
Relativity Space arendav 3D-printer kosmosetööstusele
3D-printimise tehnoloogia lennunduses
Nüüd, kui oleme neid tutvustanud, vaatame lähemalt erinevaid kosmosetööstuses kasutatavaid 3D-printimise tehnoloogiaid.Esiteks tuleb märkida, et metallilisandite tootmine, eriti L-PBF, on selles valdkonnas enim kasutatav.See protsess hõlmab laserenergia kasutamist metallipulbri kihtide haaval sulatamiseks.See sobib eriti hästi väikeste, keerukate, täpsete ja kohandatud osade tootmiseks.Lennundustootjad saavad kasu ka DED-st, mis hõlmab metalltraadi või pulbri sadestamist ja mida kasutatakse peamiselt parandamiseks, katmiseks või kohandatud metall- või keraamiliste osade tootmiseks.
Seevastu sideainejoaga töötlemine, kuigi see on tootmiskiiruse ja madalate kulude poolest soodne, ei sobi suure jõudlusega mehaaniliste osade tootmiseks, kuna see nõuab järeltöötluse tugevdamisetappe, mis pikendavad lõpptoote valmistamise aega.Ekstrusioonitehnoloogia on efektiivne ka kosmosekeskkonnas.Tuleb märkida, et kõik polümeerid ei sobi kasutamiseks kosmoses, kuid suure jõudlusega plastid nagu PEEK võivad oma tugevuse tõttu asendada mõnda metallosa.See 3D-printimise protsess ei ole siiski veel kuigi laialt levinud, kuid uute materjalide kasutamisel võib sellest saada väärtuslik vara kosmoseuuringute jaoks.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) on kosmosetööstuses laialdaselt kasutatav tehnoloogia 3D-printimisel.
Kosmosematerjalide potentsiaal
Lennundustööstus on 3D-printimise kaudu uurinud uusi materjale, pakkudes välja uuenduslikke alternatiive, mis võivad turgu häirida.Kuigi metallid, nagu titaan, alumiinium ja nikkel-kroomisulamid, on alati olnud põhirõhk, võib peagi tähelepanu keskpunkti sattuda uus materjal: Kuu regoliit.Kuu regoliit on Kuud kattev tolmukiht ja ESA on näidanud selle 3D-printimisega kombineerimise eeliseid.Advenit Makaya, ESA vanemtootmisinsener, kirjeldab Kuu regoliiti kui betooni sarnast, mis koosneb peamiselt ränist ja muudest keemilistest elementidest, nagu raud, magneesium, alumiinium ja hapnik.ESA on teinud koostööd Lithoziga, et toota väikseid funktsionaalseid osi, nagu kruvid ja hammasrattad, kasutades simuleeritud kuuregoliiti, mille omadused sarnanevad tõelise kuutolmuga.
Enamik kuuregoliidi tootmisega seotud protsesse kasutab soojust, muutes selle ühilduvaks selliste tehnoloogiatega nagu SLS ja pulberliimimise printimislahendused.ESA kasutab ka D-Shape tehnoloogiat eesmärgiga toota tahkeid osi, segades magneesiumkloriidi materjalidega ja kombineerides seda simuleeritud proovis leiduva magneesiumoksiidiga.Selle kuumaterjali üks olulisi eeliseid on selle peenem prindieraldusvõime, mis võimaldab toota osi kõige suurema täpsusega.See funktsioon võib saada peamiseks varaks tulevaste Kuu baaside rakenduste ja komponentide tootmise laiendamisel.
Lunar Regolith on kõikjal
Samuti on olemas Marsi regoliit, mis viitab Marsil leitud maa-alusele materjalile.Praegu ei saa rahvusvahelised kosmoseagentuurid seda materjali taastada, kuid see ei ole takistanud teadlasi uurimast selle potentsiaali teatud lennundusprojektides.Teadlased kasutavad selle materjali simuleeritud proove ja kombineerivad seda titaanisulamiga tööriistade või raketikomponentide tootmiseks.Esialgsed tulemused näitavad, et see materjal tagab suurema tugevuse ja kaitseb seadmeid roostetamise ja kiirguskahjustuste eest.Kuigi neil kahel materjalil on sarnased omadused, on kuuregoliit siiski kõige enam testitud materjal.Teine eelis on see, et neid materjale saab valmistada kohapeal, ilma et oleks vaja toorainet Maalt transportida.Lisaks on regoliit ammendamatu materiaalne allikas, mis aitab nappust ennetada.
3D-printimise tehnoloogia rakendused kosmosetööstuses
3D-printimise tehnoloogia rakendused kosmosetööstuses võivad olenevalt konkreetsest kasutatavast protsessist erineda.Näiteks laserpulberkihti sulatamist (L-PBF) saab kasutada keerukate lühiajaliste osade, näiteks tööriistasüsteemide või ruumivaruosade valmistamiseks.Californias asuv startup Launcher kasutas oma E-2 vedelrakettmootori täiustamiseks Velo3D safiirmetallist 3D-printimise tehnoloogiat.Tootja protsessi kasutati induktsioonturbiini loomisel, millel on ülioluline roll LOX (vedel hapnik) kiirendamisel ja põlemiskambrisse juhtimisel.Turbiin ja andur prinditi 3D-printimise tehnoloogia abil ja seejärel monteeriti.See uuenduslik komponent tagab raketile suurema vedelikuvoolu ja suurema tõukejõu, muutes selle mootori oluliseks osaks
Velo3D aitas kaasa PBF-tehnoloogia kasutamisele E-2 vedelrakettmootori tootmisel.
Lisandite tootmisel on laialdased rakendused, sealhulgas väikeste ja suurte konstruktsioonide tootmine.Näiteks saab 3D-printimise tehnoloogiaid, nagu Relativity Space’i Stargate’i lahendust kasutada suurte detailide, nagu raketi kütusepaakide ja propelleri labade valmistamiseks.Relatiivsuse kosmos on seda tõestanud peaaegu täielikult 3D-prinditud raketi Terran 1 eduka tootmisega, sealhulgas mitme meetri pikkuse kütusepaagiga.Selle esimene lansseerimine 23. märtsil 2023 näitas lisandite tootmisprotsesside tõhusust ja usaldusväärsust.
Ekstrusioonil põhinev 3D-printimise tehnoloogia võimaldab toota ka detaile, kasutades suure jõudlusega materjale nagu PEEK.Sellest termoplastist valmistatud komponente on juba kosmoses testitud ja need paigutati AÜE Kuu-missiooni raames kulgurile Rashid.Selle testi eesmärk oli hinnata PEEKi vastupanuvõimet äärmuslikele Kuutingimustele.Edu korral võib PEEK-l olla võimalik metallosad välja vahetada olukordades, kus metallosad purunevad või materjale napib.Lisaks võivad PEEKi kerged omadused olla kosmoseuuringutes väärtuslikud.
3D-printimise tehnoloogiat saab kasutada erinevate osade tootmiseks kosmosetööstuse jaoks.
3D-printimise eelised kosmosetööstuses
3D-printimise eelised kosmosetööstuses hõlmavad osade paremat lõplikku välimust võrreldes traditsiooniliste ehitustehnikatega.Austria 3D-printerite tootja Lithoz tegevjuht Johannes Homa märkis, et "see tehnoloogia muudab osad kergemaks".Tänu disainivabadusele on 3D-prinditud tooted efektiivsemad ja nõuavad vähem ressursse.Sellel on positiivne mõju osade tootmise keskkonnamõjule.Relatiivsusteooria kosmos on näidanud, et lisaainete tootmine võib märkimisväärselt vähendada kosmoselaevade tootmiseks vajalike komponentide arvu.Terran 1 raketi jaoks päästeti 100 osa.Lisaks on sellel tehnoloogial märkimisväärsed eelised tootmiskiiruses, kuna rakett valmib vähem kui 60 päevaga.Seevastu traditsiooniliste meetoditega raketi valmistamine võib kesta mitu aastat.
Ressursihalduse osas võib 3D-printimine säästa materjale ja mõnel juhul isegi võimaldada jäätmete ringlussevõttu.Lõpuks võib lisaainete tootmine saada väärtuslikuks varaks rakettide stardimassi vähendamisel.Eesmärk on maksimeerida kohalike materjalide, näiteks regoliidi, kasutamist ja minimeerida materjalide transporti kosmoselaevade sees.See võimaldab kaasas kanda vaid 3D-printerit, millega saab pärast reisi kõike kohapeal luua.
Made in Space on juba ühe oma 3D-printeri kosmosesse testimiseks saatnud.
3D-printimise piirangud ruumis
Kuigi 3D-printimisel on palju eeliseid, on see tehnoloogia siiski suhteliselt uus ja sellel on piiranguid.Advenit Makaya märkis: "Üks peamisi probleeme lisaainete tootmisega lennundustööstuses on protsesside juhtimine ja valideerimine."Tootjad saavad siseneda laborisse ja testida iga osa tugevust, töökindlust ja mikrostruktuuri enne valideerimist – seda protsessi 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 keskendus lisaainete tootmisel toodetud metallkomponentide kiirele sertifitseerimisele.Keskuse eesmärk on kasutada digitaalseid kaksikuid toodete arvutimudelite täiustamiseks, mis aitab inseneridel paremini mõista osade jõudlust ja piiranguid, sealhulgas seda, kui suurt survet nad enne purunemist taluvad.Sellega loodab keskus aidata edendada 3D-printimise rakendamist kosmosetööstuses, muutes selle tõhusamaks traditsiooniliste tootmistehnikatega konkureerimisel.
Need komponendid on läbinud põhjaliku töökindluse ja tugevuse testimise.
Teisest küljest on kontrolliprotsess erinev, kui tootmine toimub ruumis.ESA Advenit Makaya selgitab: "On olemas tehnika, mis hõlmab osade analüüsimist printimise ajal."See meetod aitab kindlaks teha, millised trükitooted sobivad ja millised mitte.Lisaks on olemas kosmosesse mõeldud 3D-printerite iseparandussüsteem, mida testitakse metallimasinatel.See süsteem suudab tuvastada võimalikud vead tootmisprotsessis ja automaatselt muuta selle parameetreid, et parandada osa defekte.Eeldatakse, et need kaks süsteemi parandavad trükitoodete töökindlust kosmoses.
3D-printimise lahenduste valideerimiseks on NASA ja ESA kehtestanud standardid.Need standardid hõlmavad osade töökindluse kindlakstegemiseks tehtavaid teste.Nad kaaluvad pulberkihi sulatamise tehnoloogiat ja ajakohastavad neid muude protsesside jaoks.Seda jälgitavust pakuvad aga ka paljud materjalitööstuse suuremad tegijad, nagu Arkema, BASF, Dupont ja Sabic.
Kosmoses elamine?
3D-printimise tehnoloogia edenedes oleme näinud Maal palju edukaid projekte, mis kasutavad seda tehnoloogiat majade ehitamiseks.See paneb meid mõtlema, kas seda protsessi võidakse lähi- või kaugemas tulevikus kasutada elamiskõlblike struktuuride ehitamiseks kosmoses.Kuigi kosmoses elamine on praegu ebareaalne, võib majade ehitamine, eriti Kuul, olla kasulik astronautidele kosmosemissioonide täitmisel.Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) eesmärk on ehitada Kuule kupleid, kasutades kuuregoliiti, mille abil saab ehitada seinu või telliseid, et kaitsta astronaute kiirguse eest.ESA Advenit Makaya andmetel koosneb Kuu regoliit umbes 60% metallist ja 40% hapnikust ning on astronautide ellujäämiseks hädavajalik materjal, kuna sellest materjalist eraldamisel võib see pakkuda lõputut hapnikuallikat.
NASA on andnud ICONile 57,2 miljoni dollari suuruse toetuse 3D-printimise süsteemi väljatöötamiseks Kuu pinnal asuvate konstruktsioonide ehitamiseks ning teeb ettevõttega koostööd ka Mars Dune Alpha elupaiga loomiseks.Eesmärk on katsetada elutingimusi Marsil, lastes vabatahtlikel elada elupaigas ühe aasta, simuleerides tingimusi Punasel planeedil.Need jõupingutused kujutavad endast kriitilisi samme 3D-prinditud struktuuride otseseks ehitamiseks Kuul ja Marsil, mis võib lõpuks sillutada teed inimeste kosmose koloniseerimisele.
Kauges tulevikus võivad need majad võimaldada elul kosmoses ellu jääda.
Postitusaeg: 14. juuni 2023