Od 20. storočia je ľudská rasa fascinovaná skúmaním vesmíru a pochopením toho, čo leží mimo Zeme.Veľké organizácie ako NASA a ESA boli v popredí prieskumu vesmíru a ďalším dôležitým hráčom v tomto dobývaní je 3D tlač.Vďaka schopnosti rýchlo vyrábať zložité diely pri nízkych nákladoch sa táto konštrukčná technológia stáva vo firmách čoraz populárnejšou.Umožňuje vytváranie mnohých aplikácií, ako sú satelity, skafandre a komponenty rakiet.V skutočnosti sa podľa SmarTech očakáva, že trhová hodnota súkromnej výroby aditív v kozmickom priemysle do roku 2026 dosiahne 2,1 miliardy EUR. To vyvoláva otázku: Ako môže 3D tlač pomôcť ľuďom vyniknúť vo vesmíre?
Spočiatku sa 3D tlač používala hlavne na rýchle prototypovanie v lekárskom, automobilovom a leteckom priemysle.Ako sa však táto technológia rozšírila, čoraz viac sa používa pre komponenty na konečné použitie.Technológia výroby kovových aditív, najmä L-PBF, umožnila výrobu rôznych kovov s vlastnosťami a odolnosťou vhodnou do extrémnych vesmírnych podmienok.Pri výrobe komponentov pre letectvo a kozmonautiku sa používajú aj ďalšie technológie 3D tlače, ako je DED, spojivové tryskanie a proces vytláčania.V posledných rokoch sa objavili nové obchodné modely, pričom spoločnosti ako Made in Space a Relativity Space využívajú technológiu 3D tlače na navrhovanie leteckých komponentov.
Relativity Space vyvíja 3D tlačiareň pre letecký priemysel
Technológia 3D tlače v letectve
Teraz, keď sme si ich predstavili, poďme sa bližšie pozrieť na rôzne technológie 3D tlače používané v leteckom priemysle.Po prvé, treba poznamenať, že výroba kovových prísad, najmä L-PBF, je v tejto oblasti najpoužívanejšia.Tento proces zahŕňa použitie laserovej energie na roztavenie kovového prášku vrstvu po vrstve.Je obzvlášť vhodný na výrobu malých, zložitých, presných a prispôsobených dielov.Výrobcovia letectva a kozmonautiky môžu tiež ťažiť z DED, ktorý zahŕňa nanášanie kovového drôtu alebo prášku a používa sa hlavne na opravy, nátery alebo výrobu prispôsobených kovových alebo keramických dielov.
Na rozdiel od toho, tryskanie spojiva, aj keď je výhodné z hľadiska rýchlosti výroby a nízkych nákladov, nie je vhodné na výrobu vysokovýkonných mechanických dielov, pretože vyžaduje kroky spevnenia po spracovaní, ktoré predlžujú výrobný čas konečného produktu.Technológia vytláčania je účinná aj vo vesmírnom prostredí.Je potrebné poznamenať, že nie všetky polyméry sú vhodné na použitie vo vesmíre, ale vysokovýkonné plasty ako PEEK môžu vďaka svojej pevnosti nahradiť niektoré kovové časti.Tento proces 3D tlače však stále nie je veľmi rozšírený, no môže sa stať cenným prínosom pre prieskum vesmíru pomocou nových materiálov.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) je široko používaná technológia v 3D tlači pre letectvo a kozmonautiku.
Potenciál vesmírnych materiálov
Letecký priemysel skúma nové materiály prostredníctvom 3D tlače a navrhuje inovatívne alternatívy, ktoré môžu narušiť trh.Zatiaľ čo kovy ako titán, hliník a zliatiny niklu a chrómu boli vždy hlavným zameraním, nový materiál môže čoskoro ukradnúť pozornosť: lunárny regolit.Lunárny regolit je vrstva prachu pokrývajúca Mesiac a ESA preukázala výhody jeho kombinácie s 3D tlačou.Advenit Makaya, vedúci výrobný inžinier ESA, opisuje lunárny regolit ako podobný betónu, ktorý pozostáva predovšetkým z kremíka a iných chemických prvkov, ako je železo, horčík, hliník a kyslík.ESA sa spojila so spoločnosťou Lithoz na výrobu malých funkčných častí, ako sú skrutky a ozubené kolesá pomocou simulovaného lunárneho regolitu s vlastnosťami podobnými skutočnému mesačnému prachu.
Väčšina procesov zapojených do výroby lunárneho regolitu využíva teplo, vďaka čomu je kompatibilný s technológiami, ako sú SLS a tlačové riešenia s práškovým lepením.ESA tiež používa technológiu D-Shape s cieľom vyrábať pevné časti zmiešaním chloridu horečnatého s materiálmi a jeho kombináciou s oxidom horečnatým nachádzajúcim sa v simulovanej vzorke.Jednou z významných výhod tohto mesačného materiálu je jeho jemnejšie rozlíšenie tlače, ktoré mu umožňuje vyrábať diely s najvyššou presnosťou.Táto funkcia by sa mohla stať primárnym prínosom pri rozširovaní rozsahu aplikácií a výroby komponentov pre budúce mesačné základne.
Lunárny Regolit je všade
Existuje aj marťanský regolit, ktorý odkazuje na podpovrchový materiál nájdený na Marse.Medzinárodné vesmírne agentúry v súčasnosti nemôžu tento materiál získať späť, ale to vedcom nezabránilo v skúmaní jeho potenciálu v určitých leteckých projektoch.Výskumníci používajú simulované vzorky tohto materiálu a kombinujú ho s titánovou zliatinou na výrobu nástrojov alebo komponentov rakiet.Počiatočné výsledky naznačujú, že tento materiál poskytne vyššiu pevnosť a ochráni zariadenie pred koróziou a poškodením žiarením.Hoci tieto dva materiály majú podobné vlastnosti, lunárny regolit je stále najviac testovaným materiálom.Ďalšou výhodou je, že tieto materiály je možné vyrábať priamo na mieste bez potreby prepravy surovín zo Zeme.Okrem toho je regolit nevyčerpateľným zdrojom materiálu, ktorý pomáha predchádzať nedostatku.
Aplikácia technológie 3D tlače v leteckom priemysle
Aplikácie technológie 3D tlače v leteckom priemysle sa môžu líšiť v závislosti od konkrétneho použitého procesu.Napríklad laserová prášková fúzia (L-PBF) sa môže použiť na výrobu zložitých krátkodobých dielov, ako sú systémy nástrojov alebo náhradné diely pre priestory.Launcher, startup so sídlom v Kalifornii, použil technológiu zafírovo-kovovej 3D tlače Velo3D na vylepšenie svojho kvapalného raketového motora E-2.Proces výrobcu bol použitý na vytvorenie indukčnej turbíny, ktorá hrá kľúčovú úlohu pri zrýchľovaní a vháňaní LOX (kvapalného kyslíka) do spaľovacej komory.Turbína a senzor boli vytlačené pomocou technológie 3D tlače a následne zmontované.Tento inovatívny komponent poskytuje rakete väčší prietok tekutiny a väčší ťah, vďaka čomu je nevyhnutnou súčasťou motora
Velo3D prispel k použitiu technológie PBF pri výrobe kvapalného raketového motora E-2.
Aditívna výroba má široké uplatnenie, vrátane výroby malých a veľkých konštrukcií.Napríklad technológie 3D tlače, ako je riešenie Stargate spoločnosti Relativity Space, možno použiť na výrobu veľkých dielov, ako sú palivové nádrže rakiet a listy vrtule.Relativity Space to dokázala úspešnou výrobou Terran 1, takmer výlučne 3D tlačenej rakety, vrátane niekoľko metrov dlhej palivovej nádrže.Jeho prvé spustenie 23. marca 2023 preukázalo efektívnosť a spoľahlivosť procesov aditívnej výroby.
Technológia 3D tlače založená na extrúzii tiež umožňuje výrobu dielov s použitím vysokovýkonných materiálov, ako je PEEK.Komponenty vyrobené z tohto termoplastu už boli testované vo vesmíre a boli umiestnené na rover Rashid v rámci lunárnej misie SAE.Účelom tohto testu bolo vyhodnotiť odolnosť PEEK voči extrémnym lunárnym podmienkam.Ak bude úspešný, môže byť PEEK schopný nahradiť kovové časti v situáciách, keď sa kovové časti zlomia alebo je nedostatok materiálov.Navyše, ľahké vlastnosti PEEK môžu byť cenné pri prieskume vesmíru.
Technológia 3D tlače môže byť použitá na výrobu rôznych dielov pre letecký priemysel.
Výhody 3D tlače v leteckom priemysle
Medzi výhody 3D tlače v leteckom priemysle patrí zlepšený konečný vzhľad dielov v porovnaní s tradičnými konštrukčnými technikami.Johannes Homa, generálny riaditeľ rakúskeho výrobcu 3D tlačiarní Lithoz, uviedol, že „táto technológia robí diely ľahšími“.Vďaka slobode dizajnu sú 3D tlačené produkty efektívnejšie a vyžadujú menej zdrojov.To má pozitívny vplyv na vplyv výroby dielov na životné prostredie.Relativity Space ukázal, že aditívna výroba môže výrazne znížiť počet komponentov potrebných na výrobu kozmickej lode.Pre raketu Terran 1 sa ušetrilo 100 dielov.Okrem toho má táto technológia značné výhody v rýchlosti výroby, pričom raketa je dokončená za menej ako 60 dní.Naproti tomu výroba rakety tradičnými metódami môže trvať niekoľko rokov.
Čo sa týka manažmentu zdrojov, 3D tlač môže šetriť materiály a v niektorých prípadoch dokonca umožňuje recykláciu odpadu.Napokon, aditívna výroba sa môže stať cenným prínosom pre zníženie vzletovej hmotnosti rakiet.Cieľom je maximalizovať využitie miestnych materiálov, ako je regolit, a minimalizovať transport materiálov v rámci kozmickej lode.Vďaka tomu je možné mať so sebou iba 3D tlačiareň, ktorá dokáže po výlete všetko vytvoriť priamo na mieste.
Made in Space už poslalo jednu zo svojich 3D tlačiarní do vesmíru na testovanie.
Obmedzenia 3D tlače vo vesmíre
Hoci má 3D tlač mnoho výhod, táto technológia je stále relatívne nová a má svoje obmedzenia.Advenit Makaya uviedol: "Jedným z hlavných problémov výroby aditív v leteckom a kozmickom priemysle je kontrola a validácia procesov."Výrobcovia môžu vstúpiť do laboratória a otestovať pevnosť, spoľahlivosť a mikroštruktúru každej časti pred validáciou, čo je proces známy ako nedeštruktívne testovanie (NDT).To však môže byť časovo náročné aj drahé, takže konečným cieľom je znížiť potrebu týchto testov.NASA nedávno založila centrum na riešenie tohto problému, zamerané na rýchlu certifikáciu kovových komponentov vyrábaných aditívnou výrobou.Cieľom centra je použiť digitálne dvojčatá na zlepšenie počítačových modelov produktov, čo pomôže inžinierom lepšie pochopiť výkon a obmedzenia dielov, vrátane toho, aký tlak dokážu vydržať pred zlomením.Centrum dúfa, že tak pomôže propagovať aplikáciu 3D tlače v leteckom a kozmickom priemysle, čím sa stane efektívnejšou v konkurencii tradičných výrobných techník.
Tieto komponenty prešli komplexným testovaním spoľahlivosti a pevnosti.
Na druhej strane je proces overovania odlišný, ak sa výroba vykonáva vo vesmíre.Advenit Makaya z ESA vysvetľuje: "Existuje technika, ktorá zahŕňa analýzu dielov počas tlače."Táto metóda pomáha určiť, ktoré tlačené produkty sú vhodné a ktoré nie.Okrem toho existuje samokorekčný systém pre 3D tlačiarne určený do vesmíru a testuje sa na kovových strojoch.Tento systém dokáže identifikovať potenciálne chyby vo výrobnom procese a automaticky upravovať jeho parametre tak, aby opravili prípadné chyby dielu.Očakáva sa, že tieto dva systémy zlepšia spoľahlivosť tlačených produktov vo vesmíre.
Na overenie riešení 3D tlače zaviedli NASA a ESA štandardy.Tieto normy zahŕňajú sériu testov na určenie spoľahlivosti dielov.Zvažujú technológiu fúzie práškového lôžka a aktualizujú ich pre ďalšie procesy.Túto sledovateľnosť však poskytujú aj mnohí hlavní hráči v materiálovom priemysle, ako napríklad Arkema, BASF, Dupont a Sabic.
Žiť vo vesmíre?
S pokrokom technológie 3D tlače sme na Zemi videli mnoho úspešných projektov, ktoré využívajú túto technológiu na stavbu domov.To nás núti premýšľať, či by sa tento proces mohol v blízkej alebo vzdialenej budúcnosti použiť na výstavbu obývateľných štruktúr vo vesmíre.Zatiaľ čo život vo vesmíre je v súčasnosti nereálny, stavanie domov, najmä na Mesiaci, môže byť prospešné pre astronautov pri vykonávaní vesmírnych misií.Cieľom Európskej vesmírnej agentúry (ESA) je postaviť kupoly na Mesiaci pomocou lunárneho regolitu, ktorý možno použiť na stavbu stien alebo tehál na ochranu astronautov pred žiarením.Podľa Advenita Makaya z ESA sa lunárny regolit skladá z približne 60 % kovu a 40 % kyslíka a je nevyhnutným materiálom pre prežitie astronautov, pretože môže poskytnúť nekonečný zdroj kyslíka, ak je extrahovaný z tohto materiálu.
NASA udelila ICON grant 57,2 milióna dolárov na vývoj 3D tlačového systému na budovanie štruktúr na mesačnom povrchu a tiež spolupracuje so spoločnosťou na vytvorení biotopu Mars Dune Alpha.Cieľom je otestovať životné podmienky na Marse tým, že budú dobrovoľníci žiť jeden rok v biotope, ktorý simuluje podmienky na Červenej planéte.Toto úsilie predstavuje kritické kroky smerom k priamej konštrukcii 3D tlačených štruktúr na Mesiaci a Marse, čo by mohlo nakoniec pripraviť cestu pre kolonizáciu ľudského vesmíru.
V ďalekej budúcnosti by tieto domy mohli umožniť prežitie života vo vesmíre.
Čas odoslania: 14. júna 2023