Από τον 20ο αιώνα, η ανθρώπινη φυλή έχει γοητευτεί με την εξερεύνηση του διαστήματος και την κατανόηση του τι βρίσκεται πέρα από τη Γη.Μεγάλοι οργανισμοί όπως η NASA και η ESA έχουν βρεθεί στην πρώτη γραμμή της εξερεύνησης του διαστήματος και ένας άλλος σημαντικός παράγοντας σε αυτή την κατάκτηση είναι η 3D εκτύπωση.Με τη δυνατότητα γρήγορης παραγωγής πολύπλοκων εξαρτημάτων με χαμηλό κόστος, αυτή η τεχνολογία σχεδίασης γίνεται ολοένα και πιο δημοφιλής στις εταιρείες.Κάνει δυνατή τη δημιουργία πολλών εφαρμογών, όπως δορυφόρους, διαστημικές στολές και εξαρτήματα πυραύλων.Στην πραγματικότητα, σύμφωνα με τη SmarTech, η αγοραία αξία της παραγωγής πρόσθετων της ιδιωτικής διαστημικής βιομηχανίας 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 χρησιμοποιήθηκε κυρίως για την ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων στην ιατρική, την αυτοκινητοβιομηχανία και την αεροδιαστημική βιομηχανία.Ωστόσο, καθώς η τεχνολογία έχει γίνει πιο διαδεδομένη, χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο για εξαρτήματα τελικής χρήσης.Η τεχνολογία κατασκευής πρόσθετων μετάλλων, ιδιαίτερα L-PBF, επέτρεψε την παραγωγή μιας ποικιλίας μετάλλων με χαρακτηριστικά και ανθεκτικότητα κατάλληλα για ακραίες συνθήκες χώρου.Άλλες τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης, όπως το DED, η εκτόξευση συνδετικού υλικού και η διαδικασία εξώθησης, χρησιμοποιούνται επίσης στην κατασκευή εξαρτημάτων αεροδιαστημικής.Τα τελευταία χρόνια, έχουν εμφανιστεί νέα επιχειρηματικά μοντέλα, με εταιρείες όπως η Made in Space και η Relativity Space να χρησιμοποιούν τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης για να σχεδιάζουν εξαρτήματα αεροδιαστημικής.
Η Relativity Space αναπτύσσει τρισδιάστατο εκτυπωτή για την αεροδιαστημική βιομηχανία
Τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης στην αεροδιαστημική
Τώρα που τα παρουσιάσαμε, ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στις διάφορες τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης που χρησιμοποιούνται στην αεροδιαστημική βιομηχανία.Πρώτον, πρέπει να σημειωθεί ότι η κατασκευή πρόσθετων μετάλλων, ειδικά το L-PBF, είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη στον τομέα αυτό.Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τη χρήση ενέργειας λέιζερ για τη σύντηξη μεταλλικής σκόνης στρώμα προς στρώμα.Είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για την παραγωγή μικρών, πολύπλοκων, ακριβών και προσαρμοσμένων εξαρτημάτων.Οι κατασκευαστές αεροδιαστημικής μπορούν επίσης να επωφεληθούν από το DED, το οποίο 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 πλεονεκτικό 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.Θα πρέπει να σημειωθεί ότι δεν είναι όλα τα πολυμερή κατάλληλα για χρήση στο χώρο, αλλά πλαστικά υψηλής απόδοσης όπως το PEEK μπορούν να αντικαταστήσουν ορισμένα μεταλλικά μέρη λόγω της αντοχής τους.Ωστόσο, αυτή η διαδικασία τρισδιάστατης εκτύπωσης δεν είναι ακόμα πολύ διαδεδομένη, αλλά μπορεί να γίνει πολύτιμο πλεονέκτημα για την εξερεύνηση του διαστήματος με τη χρήση νέων υλικών.
Το Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνολογία στην τρισδιάστατη εκτύπωση για την αεροδιαστημική.
Δυνατότητες Διαστημικών Υλικών
Η αεροδιαστημική βιομηχανία εξερευνά νέα υλικά μέσω της τρισδιάστατης εκτύπωσης, προτείνοντας καινοτόμες εναλλακτικές λύσεις που μπορεί να διαταράξουν την αγορά.Ενώ μέταλλα όπως το τιτάνιο, το αλουμίνιο και τα κράματα νικελίου-χρωμίου ήταν πάντα το επίκεντρο, ένα νέο υλικό μπορεί σύντομα να κλέψει τα φώτα της δημοσιότητας: ο σεληνιακός ρεγόλιθος.Ο σεληνιακός ρεγόλιθος είναι ένα στρώμα σκόνης που καλύπτει το φεγγάρι 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 ρεγόλιθο παρόμοιο με το σκυρόδεμα, που αποτελείται κυρίως από πυρίτιο και άλλα χημικά στοιχεία όπως σίδηρο, μαγνήσιο, αλουμίνιο και οξυγόνο.Η ESA συνεργάστηκε με τη Lithoz για την παραγωγή μικρών λειτουργικών εξαρτημάτων, όπως βίδες και γρανάζια, χρησιμοποιώντας προσομοιωμένο σεληνιακό ρεγόλιθο με ιδιότητες παρόμοιες με τη σκόνη της πραγματικής σελήνης.
Οι περισσότερες από τις διαδικασίες που εμπλέκονται στην κατασκευή σεληνιακού ρεγολίθου χρησιμοποιούν θερμότητα, καθιστώντας το συμβατό με τεχνολογίες όπως το SLS και τις λύσεις εκτύπωσης συγκόλλησης πούδρας.Η ESA χρησιμοποιεί επίσης την τεχνολογία D-Shape με στόχο την παραγωγή στερεών εξαρτημάτων αναμειγνύοντας χλωριούχο μαγνήσιο με υλικά και συνδυάζοντάς το με οξείδιο του μαγνησίου που βρίσκεται στο προσομοιωμένο δείγμα.Ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα αυτού του υλικού φεγγαριού είναι η λεπτότερη ανάλυση εκτύπωσης, που του επιτρέπει να παράγει εξαρτήματα με την υψηλότερη ακρίβεια.Αυτό το χαρακτηριστικό θα μπορούσε να γίνει το κύριο πλεονέκτημα για την επέκταση του φάσματος των εφαρμογών και της κατασκευής εξαρτημάτων για μελλοντικές σεληνιακές βάσεις.
Ο Σεληνιακός Ρογόλιθ είναι παντού
Υπάρχει επίσης ο Αρειανός ρεγόλιθος, που αναφέρεται σε υποεπιφανειακό υλικό που βρέθηκε στον Άρη.Επί του παρόντος, οι διεθνείς διαστημικές υπηρεσίες δεν μπορούν να ανακτήσουν αυτό το υλικό, αλλά αυτό δεν εμπόδισε 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 να παράγουν εργαλεία ή εξαρτήματα πυραύλων.Τα αρχικά αποτελέσματα δείχνουν ότι αυτό το υλικό θα παρέχει υψηλότερη αντοχή και θα προστατεύει τον εξοπλισμό από τη σκουριά και τη ζημιά από την ακτινοβολία.Αν και αυτά τα δύο υλικά έχουν παρόμοιες ιδιότητες, ο σεληνιακός ρεγόλιθος εξακολουθεί να είναι το πιο δοκιμασμένο υλικό.Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι αυτά τα υλικά μπορούν να κατασκευαστούν επιτόπου χωρίς την ανάγκη μεταφοράς πρώτων υλών από τη Γη.Επιπλέον, ο ρεγόλιθος είναι μια ανεξάντλητη υλική πηγή, που βοηθά 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 τη συγκεκριμένη διαδικασία που χρησιμοποιείται.Για παράδειγμα, η σύντηξη κρεβατιού με σκόνη λέιζερ (L-PBF) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή περίπλοκων βραχυπρόθεσμων ανταλλακτικών, όπως συστήματα εργαλείων ή ανταλλακτικά χώρου.Η Launcher, μια startup με έδρα την Καλιφόρνια, χρησιμοποίησε την τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης ζαφείρι-μετάλλου της Velo3D για να βελτιώσει τον κινητήρα υγρού πυραύλου E-2.Η διαδικασία του κατασκευαστή χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία του στροβίλου επαγωγής, ο οποίος παίζει καθοριστικό ρόλο στην επιτάχυνση και την ώθηση του LOX (υγρό οξυγόνο) στον θάλαμο καύσης.Ο στρόβιλος και ο αισθητήρας εκτυπώθηκαν με χρήση τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης και στη συνέχεια συναρμολογήθηκαν.Αυτό το καινοτόμο εξάρτημα παρέχει στον πύραυλο μεγαλύτερη ροή υγρού και μεγαλύτερη ώθηση, καθιστώντας τον βασικό μέρος του κινητήρα
Το Velo3D συνέβαλε στη χρήση της τεχνολογίας PBF στην κατασκευή του υγρού πυραυλοκινητήρα E-2.
Η παραγωγή προσθέτων έχει ευρείες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής μικρών και μεγάλων κατασκευών.Για παράδειγμα, οι τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης όπως η λύση Stargate του Relativity Space μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή μεγάλων εξαρτημάτων όπως δεξαμενές καυσίμου πυραύλων και λεπίδες προπέλας.Το Relativity Space το έχει αποδείξει αυτό μέσω της επιτυχημένης παραγωγής του Terran 1, ενός σχεδόν εξ ολοκλήρου τρισδιάστατου εκτυπωμένου πυραύλου, συμπεριλαμβανομένης μιας δεξαμενής καυσίμου μήκους πολλών μέτρων.Η πρώτη του κυκλοφορία στις 23 Μαρτίου 2023, απέδειξε την αποτελεσματικότητα και την αξιοπιστία των διαδικασιών παραγωγής προσθέτων.
Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης που βασίζεται σε εξώθηση επιτρέπει επίσης την παραγωγή εξαρτημάτων χρησιμοποιώντας υλικά υψηλής απόδοσης όπως το PEEK.Τα εξαρτήματα που κατασκευάζονται από αυτό το θερμοπλαστικό έχουν ήδη δοκιμαστεί στο διάστημα και τοποθετήθηκαν στο ρόβερ Rashid ως μέρος της σεληνιακής αποστολής των ΗΑΕ.Ο σκοπός αυτής της δοκιμής ήταν να αξιολογήσει την αντίσταση του PEEK σε ακραίες σεληνιακές συνθήκες.Εάν είναι επιτυχής, 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 ελαφριές ιδιότητες του PEEK μπορεί να έχουν αξία στην εξερεύνηση του διαστήματος.
Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ποικίλων 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 του αυστριακού κατασκευαστή τρισδιάστατων εκτυπωτών Lithoz, δήλωσε ότι «αυτή η τεχνολογία κάνει τα εξαρτήματα ελαφρύτερα».Λόγω της ελευθερίας του σχεδιασμού, τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα προϊόντα είναι πιο αποτελεσματικά και απαιτούν λιγότερους πόρους.Αυτό έχει θετικό αντίκτυπο στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της παραγωγής ανταλλακτικών.Το Relativity Space έχει δείξει ότι η κατασκευή προσθέτων μπορεί να μειώσει σημαντικά τον αριθμό των εξαρτημάτων που απαιτούνται για την κατασκευή διαστημικών σκαφών.Για τον πύραυλο Terran 1 σώθηκαν 100 εξαρτήματα.Επιπλέον, η τεχνολογία αυτή έχει σημαντικά πλεονεκτήματα στην ταχύτητα παραγωγής, με τον πύραυλο να ολοκληρώνεται σε λιγότερο από 60 ημέρες.Αντίθετα, η κατασκευή ενός πυραύλου με παραδοσιακές μεθόδους μπορεί να διαρκέσει αρκετά χρόνια.
Όσον αφορά τη διαχείριση των πόρων, η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να εξοικονομήσει υλικά και, σε ορισμένες περιπτώσεις, να επιτρέψει ακόμη και την ανακύκλωση απορριμμάτων.Τέλος, η κατασκευή προσθέτων μπορεί να γίνει πολύτιμο πλεονέκτημα για τη μείωση του βάρους απογείωσης των πυραύλων.Ο στόχος είναι να μεγιστοποιηθεί η χρήση τοπικών υλικών, όπως ο ρηγόλιθος, και να ελαχιστοποιηθεί η μεταφορά υλικών μέσα στο διαστημόπλοιο.Αυτό καθιστά δυνατή τη μεταφορά μόνο ενός εκτυπωτή 3D, ο οποίος μπορεί να δημιουργήσει τα πάντα επιτόπου μετά το ταξίδι.
Η Made in Space έχει ήδη στείλει έναν από τους τρισδιάστατους εκτυπωτές της στο διάστημα για δοκιμή.
Περιορισμοί της τρισδιάστατης εκτύπωσης στο διάστημα
Αν και η τρισδιάστατη εκτύπωση έχει πολλά πλεονεκτήματα, η τεχνολογία εξακολουθεί να είναι σχετικά νέα και έχει περιορισμούς.Ο Advenit Makaya δήλωσε: «Ένα από τα κύρια προβλήματα με την κατασκευή προσθέτων 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 καταστροφική δοκιμή (NDT).Ωστόσο, αυτό μπορεί να είναι και χρονοβόρο και δαπανηρό, επομένως ο απώτερος στόχος είναι να μειωθεί η ανάγκη για αυτές τις δοκιμές.Η NASA δημιούργησε πρόσφατα ένα κέντρο για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, επικεντρωμένο στην ταχεία πιστοποίηση μεταλλικών εξαρτημάτων που κατασκευάζονται από την κατασκευή προσθέτων.Το κέντρο στοχεύει να χρησιμοποιήσει ψηφιακά δίδυμα για να βελτιώσει τα μοντέλα προϊόντων στον υπολογιστή, τα οποία θα βοηθήσουν 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 συμβάλει 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 να προσδιορίσετε ποια έντυπα προϊόντα είναι κατάλληλα και ποια όχι.Επιπλέον, υπάρχει ένα σύστημα αυτοδιόρθωσης για τρισδιάστατους εκτυπωτές που προορίζεται για το διάστημα και δοκιμάζεται σε μεταλλικά μηχανήματα.Αυτό το σύστημα μπορεί να εντοπίσει πιθανά σφάλματα στη διαδικασία κατασκευής και να τροποποιήσει αυτόματα τις παραμέτρους του για να διορθώσει τυχόν ελαττώματα στο ανταλλακτικό.Αυτά τα δύο συστήματα αναμένεται να βελτιώσουν την αξιοπιστία των έντυπων προϊόντων στο διάστημα.
Για την επικύρωση των 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 κλινών πούδρας και την ενημερώνουν για άλλες διαδικασίες.Ωστόσο, πολλοί σημαντικοί παίκτες στη βιομηχανία υλικών, όπως η Arkema, η BASF, η Dupont και η Sabic, παρέχουν επίσης αυτή 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 εάν αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στο εγγύς ή μακρινό μέλλον για την κατασκευή κατοικήσιμων κατασκευών στο διάστημα.Ενώ η ζωή στο διάστημα δεν είναι επί του παρόντος ρεαλιστική, η κατασκευή σπιτιών, ιδιαίτερα στο φεγγάρι, μπορεί να είναι ευεργετική για τους αστροναύτες στην εκτέλεση διαστημικών αποστολών.Ο στόχος του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) είναι να κατασκευάσει θόλους στο φεγγάρι χρησιμοποιώντας σεληνιακό ρεγόλιθο, 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 ρεγόλιθος αποτελείται από περίπου 60% μέταλλο και 40% οξυγόνο και είναι 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 στη σεληνιακή επιφάνεια και επίσης συνεργάζεται με την εταιρεία για τη δημιουργία ενός οικοτόπου Mars Dune Alpha.Ο στόχος είναι να δοκιμαστούν οι συνθήκες διαβίωσης στον Άρη βάζοντας εθελοντές να ζουν σε έναν βιότοπο για ένα χρόνο, προσομοιώνοντας τις συνθήκες στον Κόκκινο Πλανήτη.Αυτές οι προσπάθειες αντιπροσωπεύουν κρίσιμα βήματα προς την άμεση κατασκευή τρισδιάστατων εκτυπωμένων δομών στη Σελήνη και τον Άρη, που θα μπορούσαν τελικά να ανοίξουν το δρόμο για τον ανθρώπινο αποικισμό στο διάστημα.
Στο μακρινό μέλλον, αυτά τα σπίτια θα μπορούσαν να επιτρέψουν στη ζωή να επιβιώσει στο διάστημα.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-14-2023