Από τον 20ό αιώνα, η ανθρώπινη φυλή έχει γοητευτεί από την εξερεύνηση του διαστήματος και την κατανόηση του τι βρίσκεται πέρα από τη Γη. Μεγάλοι οργανισμοί όπως η NASA και η ESA βρίσκονται στην πρώτη γραμμή της εξερεύνησης του διαστήματος, και ένας άλλος σημαντικός παράγοντας σε αυτή την κατάκτηση είναι η τρισδιάστατη εκτύπωση. Με την ικανότητα ταχείας παραγωγής σύνθετων εξαρτημάτων σε χαμηλό κόστος, αυτή η τεχνολογία σχεδιασμού γίνεται ολοένα και πιο δημοφιλής στις εταιρείες. Καθιστά δυνατή τη δημιουργία πολλών εφαρμογών, όπως δορυφόροι, διαστημικές στολές και εξαρτήματα πυραύλων. Στην πραγματικότητα, σύμφωνα με την SmarTech, η αγοραία αξία της προσθετικής κατασκευής από την ιδιωτική διαστημική βιομηχανία αναμένεται να φτάσει τα 2,1 δισεκατομμύρια ευρώ έως το 2026. Αυτό εγείρει το ερώτημα: Πώς μπορεί η τρισδιάστατη εκτύπωση να βοηθήσει τους ανθρώπους να διαπρέψουν στο διάστημα;
Αρχικά, η τρισδιάστατη εκτύπωση χρησιμοποιούνταν κυρίως για την ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων στις ιατρικές, αυτοκινητοβιομηχανικές και αεροδιαστημικές βιομηχανίες. Ωστόσο, καθώς η τεχνολογία έχει γίνει πιο διαδεδομένη, χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο για εξαρτήματα τελικής χρήσης. Η τεχνολογία προσθετικής κατασκευής μετάλλων, ιδιαίτερα το L-PBF, έχει επιτρέψει την παραγωγή μιας ποικιλίας μετάλλων με χαρακτηριστικά και ανθεκτικότητα κατάλληλα για ακραίες διαστημικές συνθήκες. Άλλες τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης, όπως η DED, η έγχυση συνδετικού υλικού και η διεργασία εξώθησης, χρησιμοποιούνται επίσης στην κατασκευή εξαρτημάτων αεροδιαστημικής. Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναδυθεί νέα επιχειρηματικά μοντέλα, με εταιρείες όπως η Made in Space και η Relativity Space να χρησιμοποιούν τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης για τον σχεδιασμό εξαρτημάτων αεροδιαστημικής.
Η Relativity Space αναπτύσσει τρισδιάστατο εκτυπωτή για την αεροδιαστημική βιομηχανία
Τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης στην αεροδιαστημική
Τώρα που τις παρουσιάσαμε, ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στις διάφορες τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης που χρησιμοποιούνται στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Πρώτον, πρέπει να σημειωθεί ότι η κατασκευή προσθέτων μετάλλων, ειδικά το L-PBF, είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη σε αυτόν τον τομέα. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τη χρήση ενέργειας λέιζερ για την τήξη μεταλλικής σκόνης στρώμα προς στρώμα. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την παραγωγή μικρών, σύνθετων, ακριβών και προσαρμοσμένων εξαρτημάτων. Οι κατασκευαστές αεροδιαστημικής μπορούν επίσης να επωφεληθούν από την DED, η οποία περιλαμβάνει την εναπόθεση μεταλλικού σύρματος ή σκόνης και χρησιμοποιείται κυρίως για την επισκευή, την επίστρωση ή την παραγωγή προσαρμοσμένων μεταλλικών ή κεραμικών εξαρτημάτων.
Αντίθετα, η εκτόξευση συνδετικού υλικού, αν και πλεονεκτική όσον αφορά την ταχύτητα παραγωγής και το χαμηλό κόστος, δεν είναι κατάλληλη για την παραγωγή μηχανικών εξαρτημάτων υψηλής απόδοσης, επειδή απαιτεί βήματα ενίσχυσης μετά την επεξεργασία που αυξάνουν τον χρόνο κατασκευής του τελικού προϊόντος. Η τεχνολογία εξώθησης είναι επίσης αποτελεσματική στο διαστημικό περιβάλλον. Πρέπει να σημειωθεί ότι δεν είναι όλα τα πολυμερή κατάλληλα για χρήση στο διάστημα, αλλά τα πλαστικά υψηλής απόδοσης όπως το PEEK μπορούν να αντικαταστήσουν ορισμένα μεταλλικά μέρη λόγω της αντοχής τους. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία τρισδιάστατης εκτύπωσης δεν είναι ακόμη πολύ διαδεδομένη, αλλά μπορεί να γίνει ένα πολύτιμο πλεονέκτημα για την εξερεύνηση του διαστήματος χρησιμοποιώντας νέα υλικά.
Η σύντηξη κρεβατιού σκόνης με λέιζερ (L-PBF) είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνολογία στην τρισδιάστατη εκτύπωση για την αεροδιαστημική.
Δυναμικό των διαστημικών υλικών
Η αεροδιαστημική βιομηχανία διερευνά νέα υλικά μέσω της τρισδιάστατης εκτύπωσης, προτείνοντας καινοτόμες εναλλακτικές λύσεις που μπορεί να ανατρέψουν την αγορά. Ενώ μέταλλα όπως το τιτάνιο, το αλουμίνιο και τα κράματα νικελίου-χρωμίου ήταν πάντα στο επίκεντρο, ένα νέο υλικό μπορεί σύντομα να κλέψει την προσοχή: ο σεληνιακός ρεγολίθος. Ο σεληνιακός ρεγολίθος είναι ένα στρώμα σκόνης που καλύπτει τη σελήνη και η ESA έχει αποδείξει τα οφέλη του συνδυασμού του με την τρισδιάστατη εκτύπωση. Ο Advenit Makaya, ανώτερος μηχανικός κατασκευής της ESA, περιγράφει τον σεληνιακό ρεγολίθο ως παρόμοιο με το σκυρόδεμα, αποτελούμενο κυρίως από πυρίτιο και άλλα χημικά στοιχεία όπως σίδηρο, μαγνήσιο, αλουμίνιο και οξυγόνο. Η ESA συνεργάστηκε με την Lithoz για την παραγωγή μικρών λειτουργικών εξαρτημάτων όπως βίδες και γρανάζια χρησιμοποιώντας προσομοιωμένο σεληνιακό ρεγολίθο με ιδιότητες παρόμοιες με την πραγματική σεληνιακή σκόνη.
Οι περισσότερες από τις διαδικασίες που εμπλέκονται στην κατασκευή του σεληνιακού ρεγολίθου χρησιμοποιούν θερμότητα, καθιστώντας τον συμβατό με τεχνολογίες όπως το SLS και τα διαλύματα εκτύπωσης με συγκόλληση σκόνης. Η ESA χρησιμοποιεί επίσης την τεχνολογία D-Shape με στόχο την παραγωγή στερεών μερών αναμειγνύοντας χλωριούχο μαγνήσιο με υλικά και συνδυάζοντάς το με οξείδιο του μαγνησίου που βρίσκεται στο προσομοιωμένο δείγμα. Ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα αυτού του σεληνιακού υλικού είναι η λεπτότερη ανάλυση εκτύπωσης, που του επιτρέπει να παράγει μέρη με την υψηλότερη ακρίβεια. Αυτό το χαρακτηριστικό θα μπορούσε να γίνει το κύριο πλεονέκτημα στην επέκταση του εύρους εφαρμογών και την κατασκευή εξαρτημάτων για μελλοντικές σεληνιακές βάσεις.
Ο Σεληνιακός Ρεγόλιθος είναι Παντού
Υπάρχει επίσης ο Αρειανός ρεγολίθος, που αναφέρεται στο υπόγειο υλικό που βρέθηκε στον Άρη. Προς το παρόν, οι διεθνείς διαστημικοί οργανισμοί δεν μπορούν να ανακτήσουν αυτό το υλικό, αλλά αυτό δεν έχει εμποδίσει τους επιστήμονες να ερευνήσουν τις δυνατότητές του σε ορισμένα αεροδιαστημικά έργα. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν προσομοιωμένα δείγματα αυτού του υλικού και το συνδυάζουν με κράμα τιτανίου για την παραγωγή εργαλείων ή εξαρτημάτων πυραύλων. Τα αρχικά αποτελέσματα δείχνουν ότι αυτό το υλικό θα παρέχει μεγαλύτερη αντοχή και θα προστατεύει τον εξοπλισμό από τη σκουριά και τις ζημιές από την ακτινοβολία. Αν και αυτά τα δύο υλικά έχουν παρόμοιες ιδιότητες, ο σεληνιακός ρεγολίθος εξακολουθεί να είναι το πιο δοκιμασμένο υλικό. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι αυτά τα υλικά μπορούν να κατασκευαστούν επί τόπου χωρίς την ανάγκη μεταφοράς πρώτων υλών από τη Γη. Επιπλέον, ο ρεγολίθος είναι μια ανεξάντλητη πηγή υλικών, συμβάλλοντας στην πρόληψη της σπανιότητας.
Οι εφαρμογές της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης στην αεροδιαστημική βιομηχανία
Οι εφαρμογές της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης στην αεροδιαστημική βιομηχανία μπορεί να ποικίλλουν ανάλογα με την συγκεκριμένη διαδικασία που χρησιμοποιείται. Για παράδειγμα, η σύντηξη με λέιζερ σε στρώμα σκόνης (L-PBF) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή περίπλοκων βραχυπρόθεσμων εξαρτημάτων, όπως συστήματα εργαλείων ή ανταλλακτικά διαστήματος. Η Launcher, μια νεοσύστατη εταιρεία με έδρα την Καλιφόρνια, χρησιμοποίησε την τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης ζαφειριού-μετάλλου της Velo3D για να βελτιώσει τον κινητήρα υγρού πυραύλου E-2. Η διαδικασία του κατασκευαστή χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία του επαγωγικού στροβίλου, ο οποίος παίζει κρίσιμο ρόλο στην επιτάχυνση και την οδήγηση του LOX (υγρού οξυγόνου) στον θάλαμο καύσης. Ο στρόβιλος και ο αισθητήρας εκτυπώθηκαν χρησιμοποιώντας τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης και στη συνέχεια συναρμολογήθηκαν. Αυτό το καινοτόμο εξάρτημα παρέχει στον πύραυλο μεγαλύτερη ροή υγρού και μεγαλύτερη ώθηση, καθιστώντας τον απαραίτητο μέρος του κινητήρα.
Η Velo3D συνέβαλε στη χρήση της τεχνολογίας PBF στην κατασκευή του υγρού πυραυλοκινητήρα E-2.
Η προσθετική κατασκευή έχει ευρείες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής μικρών και μεγάλων κατασκευών. Για παράδειγμα, οι τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης, όπως η λύση Stargate της Relativity Space, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή μεγάλων εξαρτημάτων, όπως δεξαμενές καυσίμου πυραύλων και πτερύγια έλικας. Η Relativity Space το έχει αποδείξει αυτό μέσω της επιτυχημένης παραγωγής του Terran 1, ενός πυραύλου σχεδόν εξ ολοκλήρου τρισδιάστατης εκτύπωσης, που περιλαμβάνει μια δεξαμενή καυσίμου μήκους αρκετών μέτρων. Η πρώτη εκτόξευσή του στις 23 Μαρτίου 2023 απέδειξε την αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία των διαδικασιών προσθετικής κατασκευής.
Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης που βασίζεται στην εξώθηση επιτρέπει επίσης την παραγωγή εξαρτημάτων χρησιμοποιώντας υλικά υψηλής απόδοσης όπως το PEEK. Εξαρτήματα κατασκευασμένα από αυτό το θερμοπλαστικό έχουν ήδη δοκιμαστεί στο διάστημα και τοποθετήθηκαν στο ρόβερ Rashid στο πλαίσιο της σεληνιακής αποστολής των ΗΑΕ. Σκοπός αυτής της δοκιμής ήταν να αξιολογηθεί η αντοχή του PEEK σε ακραίες σεληνιακές συνθήκες. Εάν είναι επιτυχές, το PEEK μπορεί να είναι σε θέση να αντικαταστήσει μεταλλικά μέρη σε περιπτώσεις όπου τα μεταλλικά μέρη σπάνε ή τα υλικά είναι σπάνια. Επιπλέον, οι ιδιότητες ελαφρού βάρους του PEEK μπορεί να είναι πολύτιμες στην εξερεύνηση του διαστήματος.
Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μιας ποικιλίας εξαρτημάτων για την αεροδιαστημική βιομηχανία.
Πλεονεκτήματα της τρισδιάστατης εκτύπωσης στην αεροδιαστημική βιομηχανία
Τα πλεονεκτήματα της τρισδιάστατης εκτύπωσης στην αεροδιαστημική βιομηχανία περιλαμβάνουν τη βελτιωμένη τελική εμφάνιση των εξαρτημάτων σε σύγκριση με τις παραδοσιακές τεχνικές κατασκευής. Ο Johannes Homa, Διευθύνων Σύμβουλος της αυστριακής εταιρείας κατασκευής τρισδιάστατων εκτυπωτών Lithoz, δήλωσε ότι «αυτή η τεχνολογία κάνει τα εξαρτήματα ελαφρύτερα». Λόγω της ελευθερίας σχεδιασμού, τα προϊόντα τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι πιο αποδοτικά και απαιτούν λιγότερους πόρους. Αυτό έχει θετικό αντίκτυπο στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της παραγωγής εξαρτημάτων. Το Relativity Space έχει δείξει ότι η προσθετική κατασκευή μπορεί να μειώσει σημαντικά τον αριθμό των εξαρτημάτων που απαιτούνται για την κατασκευή διαστημοπλοίων. Για τον πύραυλο Terran 1, εξοικονομήθηκαν 100 εξαρτήματα. Επιπλέον, αυτή η τεχνολογία έχει σημαντικά πλεονεκτήματα στην ταχύτητα παραγωγής, καθώς ο πύραυλος ολοκληρώνεται σε λιγότερο από 60 ημέρες. Αντίθετα, η κατασκευή ενός πυραύλου με παραδοσιακές μεθόδους θα μπορούσε να διαρκέσει αρκετά χρόνια.
Όσον αφορά τη διαχείριση πόρων, η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να εξοικονομήσει υλικά και, σε ορισμένες περιπτώσεις, να επιτρέψει ακόμη και την ανακύκλωση των αποβλήτων. Τέλος, η προσθετική κατασκευή μπορεί να αποτελέσει πολύτιμο πλεονέκτημα για τη μείωση του βάρους απογείωσης των πυραύλων. Στόχος είναι η μεγιστοποίηση της χρήσης τοπικών υλικών, όπως ο ρεγολίθος, και η ελαχιστοποίηση της μεταφοράς υλικών εντός του διαστημικού σκάφους. Αυτό καθιστά δυνατή τη μεταφορά μόνο ενός τρισδιάστατου εκτυπωτή, ο οποίος μπορεί να δημιουργήσει τα πάντα επί τόπου μετά το ταξίδι.
Η Made in Space έχει ήδη στείλει έναν από τους τρισδιάστατους εκτυπωτές της στο διάστημα για δοκιμές.
Περιορισμοί της τρισδιάστατης εκτύπωσης στο διάστημα
Παρόλο που η τρισδιάστατη εκτύπωση έχει πολλά πλεονεκτήματα, η τεχνολογία είναι ακόμα σχετικά νέα και έχει περιορισμούς. Ο Advenit Makaya δήλωσε: «Ένα από τα κύρια προβλήματα με την προσθετική κατασκευή στην αεροδιαστημική βιομηχανία είναι ο έλεγχος και η επικύρωση της διαδικασίας». Οι κατασκευαστές μπορούν να εισέλθουν στο εργαστήριο και να δοκιμάσουν την αντοχή, την αξιοπιστία και τη μικροδομή κάθε εξαρτήματος πριν από την επικύρωση, μια διαδικασία γνωστή ως μη καταστροφικές δοκιμές (NDT). Ωστόσο, αυτό μπορεί να είναι χρονοβόρο και δαπανηρό, επομένως ο απώτερος στόχος είναι η μείωση της ανάγκης για αυτές τις δοκιμές. Η NASA πρόσφατα ίδρυσε ένα κέντρο για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, με επίκεντρο την ταχεία πιστοποίηση μεταλλικών εξαρτημάτων που κατασκευάζονται με προσθετική κατασκευή. Το κέντρο στοχεύει στη χρήση ψηφιακών διδύμων για τη βελτίωση των υπολογιστικών μοντέλων προϊόντων, κάτι που θα βοηθήσει τους μηχανικούς να κατανοήσουν καλύτερα την απόδοση και τους περιορισμούς των εξαρτημάτων, συμπεριλαμβανομένης της πίεσης που μπορούν να αντέξουν πριν από τη θραύση. Με αυτόν τον τρόπο, το κέντρο ελπίζει να βοηθήσει στην προώθηση της εφαρμογής της τρισδιάστατης εκτύπωσης στην αεροδιαστημική βιομηχανία, καθιστώντας την πιο αποτελεσματική στον ανταγωνισμό με τις παραδοσιακές τεχνικές κατασκευής.
Αυτά τα εξαρτήματα έχουν υποβληθεί σε ολοκληρωμένες δοκιμές αξιοπιστίας και αντοχής.
Από την άλλη πλευρά, η διαδικασία επαλήθευσης είναι διαφορετική εάν η κατασκευή γίνεται στο διάστημα. Ο Advenit Makaya της ESA εξηγεί: «Υπάρχει μια τεχνική που περιλαμβάνει την ανάλυση των εξαρτημάτων κατά την εκτύπωση». Αυτή η μέθοδος βοηθά στον προσδιορισμό των τυπωμένων προϊόντων που είναι κατάλληλα και των οποίων όχι. Επιπλέον, υπάρχει ένα σύστημα αυτοδιόρθωσης για τρισδιάστατους εκτυπωτές που προορίζονται για το διάστημα και δοκιμάζεται σε μεταλλικές μηχανές. Αυτό το σύστημα μπορεί να εντοπίσει πιθανά σφάλματα στη διαδικασία κατασκευής και να τροποποιήσει αυτόματα τις παραμέτρους του για να διορθώσει τυχόν ελαττώματα στο εξάρτημα. Αυτά τα δύο συστήματα αναμένεται να βελτιώσουν την αξιοπιστία των τυπωμένων προϊόντων στο διάστημα.
Για την επικύρωση λύσεων τρισδιάστατης εκτύπωσης, η NASA και η ESA έχουν θεσπίσει πρότυπα. Αυτά τα πρότυπα περιλαμβάνουν μια σειρά δοκιμών για τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας των εξαρτημάτων. Λαμβάνουν υπόψη την τεχνολογία σύντηξης σε κλίνη σκόνης και τα ενημερώνουν για άλλες διαδικασίες. Ωστόσο, πολλοί σημαντικοί παράγοντες στη βιομηχανία υλικών, όπως οι Arkema, BASF, Dupont και Sabic, παρέχουν επίσης αυτήν την ιχνηλασιμότητα.
Ζώντας στο διάστημα;
Με την πρόοδο της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης, έχουμε δει πολλά επιτυχημένα έργα στη Γη που χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνολογία για την κατασκευή σπιτιών. Αυτό μας κάνει να αναρωτιόμαστε αν αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στο εγγύς ή στο μακρινό μέλλον για την κατασκευή κατοικήσιμων κατασκευών στο διάστημα. Ενώ η ζωή στο διάστημα είναι προς το παρόν μη ρεαλιστική, η κατασκευή σπιτιών, ιδιαίτερα στη Σελήνη, μπορεί να είναι ωφέλιμη για τους αστροναύτες κατά την εκτέλεση διαστημικών αποστολών. Στόχος του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) είναι η κατασκευή θόλων στη Σελήνη χρησιμοποιώντας σεληνιακό ρεγολίθο, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή τοίχων ή τούβλων για την προστασία των αστροναυτών από την ακτινοβολία. Σύμφωνα με τον Advenit Makaya από την ESA, ο σεληνιακός ρεγολίθος αποτελείται από περίπου 60% μέταλλο και 40% οξυγόνο και είναι ένα απαραίτητο υλικό για την επιβίωση των αστροναυτών, επειδή μπορεί να παρέχει μια ατελείωτη πηγή οξυγόνου εάν εξαχθεί από αυτό το υλικό.
Η NASA χορήγησε επιχορήγηση 57,2 εκατομμυρίων δολαρίων στην ICON για την ανάπτυξη ενός συστήματος τρισδιάστατης εκτύπωσης για την κατασκευή κατασκευών στην επιφάνεια της Σελήνης και συνεργάζεται επίσης με την εταιρεία για τη δημιουργία ενός οικοτόπου Mars Dune Alpha. Στόχος είναι να δοκιμαστούν οι συνθήκες διαβίωσης στον Άρη, ζητώντας από εθελοντές να ζήσουν σε ένα βιότοπο για ένα χρόνο, προσομοιώνοντας τις συνθήκες στον Κόκκινο Πλανήτη. Αυτές οι προσπάθειες αποτελούν κρίσιμα βήματα προς την άμεση κατασκευή τρισδιάστατα εκτυπωμένων κατασκευών στη Σελήνη και τον Άρη, κάτι που θα μπορούσε τελικά να ανοίξει το δρόμο για τον ανθρώπινο αποικισμό του διαστήματος.
Στο μακρινό μέλλον, αυτά τα σπίτια θα μπορούσαν να επιτρέψουν την επιβίωση της ζωής στο διάστημα.
Ώρα δημοσίευσης: 14 Ιουνίου 2023
