Od 20. stoljeća, ljudska rasa je fascinirana istraživanjem svemira i razumijevanjem onoga što se nalazi izvan Zemlje. Velike organizacije poput NASA-e i ESA-e bile su u prvim redovima istraživanja svemira, a još jedan važan igrač u ovom osvajanju je 3D ispis. S mogućnošću brze proizvodnje složenih dijelova uz niske troškove, ova tehnologija dizajna postaje sve popularnija u tvrtkama. Omogućuje stvaranje mnogih primjena, poput satelita, svemirskih odijela i raketnih komponenti. Zapravo, prema SmarTechu, očekuje se da će tržišna vrijednost aditivne proizvodnje u privatnoj svemirskoj industriji doseći 2,1 milijardu eura do 2026. To postavlja pitanje: Kako 3D ispis može pomoći ljudima da se istaknu u svemiru?
U početku se 3D ispis uglavnom koristio za brzu izradu prototipa u medicinskoj, automobilskoj i zrakoplovnoj industriji. Međutim, kako je tehnologija postala rasprostranjenija, sve se više koristi za komponente konačne namjene. Tehnologija aditivne proizvodnje metala, posebno L-PBF, omogućila je proizvodnju raznih metala s karakteristikama i izdržljivošću pogodnim za ekstremne svemirske uvjete. Druge tehnologije 3D ispisa, kao što su DED, mlazno nanošenje veziva i proces ekstruzije, također se koriste u proizvodnji zrakoplovnih komponenti. Posljednjih godina pojavili su se novi poslovni modeli, a tvrtke poput Made in Space i Relativity Space koriste tehnologiju 3D ispisa za dizajn zrakoplovnih komponenti.
Relativity Space razvija 3D printer za zrakoplovnu industriju
Tehnologija 3D ispisa u zrakoplovstvu
Sada kada smo ih predstavili, pogledajmo pobliže različite tehnologije 3D ispisa koje se koriste u zrakoplovnoj industriji. Prvo, treba napomenuti da je aditivna proizvodnja metala, posebno L-PBF, najčešće korištena u ovom području. Ovaj proces uključuje korištenje laserske energije za taljenje metalnog praha sloj po sloj. Posebno je prikladan za proizvodnju malih, složenih, preciznih i prilagođenih dijelova. Proizvođači zrakoplovne industrije također mogu imati koristi od DED-a, koji uključuje nanošenje metalne žice ili praha i uglavnom se koristi za popravak, premazivanje ili proizvodnju prilagođenih metalnih ili keramičkih dijelova.
Nasuprot tome, mlazno tiskanje vezivnim materijalom, iako povoljno u smislu brzine proizvodnje i niskih troškova, nije prikladno za proizvodnju visokoučinkovitih mehaničkih dijelova jer zahtijeva korake naknadne obrade ojačavanja koji povećavaju vrijeme proizvodnje konačnog proizvoda. Tehnologija ekstruzije također je učinkovita u svemirskom okruženju. Treba napomenuti da nisu svi polimeri prikladni za upotrebu u svemiru, ali visokoučinkovite plastike poput PEEK-a mogu zamijeniti neke metalne dijelove zbog svoje čvrstoće. Međutim, ovaj 3D proces ispisa još uvijek nije jako raširen, ali može postati vrijedna prednost za istraživanje svemira korištenjem novih materijala.
Laserska fuzija u prahu (L-PBF) je široko korištena tehnologija u 3D printanju za zrakoplovstvo.
Potencijal svemirskih materijala
Zrakoplovna industrija istražuje nove materijale putem 3D ispisa, predlažući inovativne alternative koje bi mogle poremetiti tržište. Dok su metali poput titana, aluminija i legura nikla i kroma oduvijek bili u glavnom fokusu, novi materijal uskoro bi mogao ukrasti središte pozornosti: lunarni regolit. Lunarni regolit je sloj prašine koji prekriva Mjesec, a ESA je pokazala prednosti njegovog kombiniranja s 3D ispisom. Advenit Makaya, viši inženjer proizvodnje u ESA-i, opisuje lunarni regolit kao sličan betonu, prvenstveno sastavljen od silicija i drugih kemijskih elemenata poput željeza, magnezija, aluminija i kisika. ESA je surađivala s Lithozom kako bi proizvodila male funkcionalne dijelove poput vijaka i zupčanika koristeći simulirani lunarni regolit sa svojstvima sličnim pravoj mjesečevoj prašini.
Većina procesa uključenih u proizvodnju lunarnog regolita koristi toplinu, što ga čini kompatibilnim s tehnologijama poput SLS-a i rješenja za lijepljenje prahom. ESA također koristi D-Shape tehnologiju s ciljem proizvodnje čvrstih dijelova miješanjem magnezijevog klorida s materijalima i kombiniranjem s magnezijevim oksidom koji se nalazi u simuliranom uzorku. Jedna od značajnih prednosti ovog mjesečevog materijala je njegova finija rezolucija ispisa, što mu omogućuje proizvodnju dijelova s najvećom preciznošću. Ova značajka mogla bi postati glavna prednost u proširenju raspona primjena i proizvodnje komponenti za buduće lunarne baze.
Lunarni regolit je posvuda
Tu je i Marsov regolit, što se odnosi na podzemni materijal pronađen na Marsu. Trenutno međunarodne svemirske agencije ne mogu izvući ovaj materijal, ali to nije spriječilo znanstvenike da istražuju njegov potencijal u određenim zrakoplovnim projektima. Istraživači koriste simulirane uzorke ovog materijala i kombiniraju ga s titanijevom legurom za proizvodnju alata ili raketnih komponenti. Početni rezultati pokazuju da će ovaj materijal pružiti veću čvrstoću i zaštititi opremu od hrđanja i oštećenja od zračenja. Iako ova dva materijala imaju slična svojstva, lunarni regolit je i dalje najispitivaniji materijal. Još jedna prednost je što se ovi materijali mogu proizvoditi na licu mjesta bez potrebe za prijevozom sirovina sa Zemlje. Osim toga, regolit je neiscrpan izvor materijala, što pomaže u sprječavanju nestašice.
Primjena 3D tehnologije ispisa u zrakoplovnoj industriji
Primjena tehnologije 3D ispisa u zrakoplovnoj industriji može varirati ovisno o specifičnom korištenom procesu. Na primjer, laserska fuzija praha u sloju (L-PBF) može se koristiti za proizvodnju složenih kratkoročnih dijelova, poput alatnih sustava ili svemirskih rezervnih dijelova. Launcher, startup sa sjedištem u Kaliforniji, koristio je Velo3D-ovu tehnologiju 3D ispisa safir-metal kako bi poboljšao svoj tekući raketni motor E-2. Proizvođačev proces korišten je za stvaranje indukcijske turbine, koja igra ključnu ulogu u ubrzavanju i poticanju LOX-a (tekućeg kisika) u komoru za izgaranje. Turbina i senzor su ispisani pomoću 3D tehnologije ispisa, a zatim sastavljeni. Ova inovativna komponenta osigurava raketi veći protok fluida i veći potisak, što je čini bitnim dijelom motora.
Velo3D je doprinio korištenju PBF tehnologije u proizvodnji raketnog motora na tekuće gorivo E-2.
Aditivna proizvodnja ima široku primjenu, uključujući proizvodnju malih i velikih struktura. Na primjer, tehnologije 3D ispisa poput Relativity Spaceovog rješenja Stargate mogu se koristiti za proizvodnju velikih dijelova poput spremnika za raketno gorivo i lopatica propelera. Relativity Space je to dokazao uspješnom proizvodnjom Terrana 1, gotovo u potpunosti 3D printane rakete, uključujući spremnik goriva dug nekoliko metara. Njegovo prvo lansiranje 23. ožujka 2023. pokazalo je učinkovitost i pouzdanost procesa aditivne proizvodnje.
Tehnologija 3D ispisa temeljena na ekstruziji također omogućuje proizvodnju dijelova korištenjem visokoučinkovitih materijala poput PEEK-a. Komponente izrađene od ove termoplastike već su testirane u svemiru i postavljene su na rover Rashid kao dio lunarne misije UAE. Svrha ovog testa bila je procijeniti otpornost PEEK-a na ekstremne lunarne uvjete. Ako bude uspješan, PEEK bi mogao zamijeniti metalne dijelove u situacijama kada se metalni dijelovi slome ili su materijali oskudni. Osim toga, lagana svojstva PEEK-a mogu biti vrijedna u istraživanju svemira.
Tehnologija 3D ispisa može se koristiti za proizvodnju raznih dijelova za zrakoplovnu industriju.
Prednosti 3D ispisa u zrakoplovnoj industriji
Prednosti 3D ispisa u zrakoplovnoj industriji uključuju poboljšani konačni izgled dijelova u usporedbi s tradicionalnim tehnikama konstrukcije. Johannes Homa, izvršni direktor austrijskog proizvođača 3D pisača Lithoz, izjavio je da "ova tehnologija čini dijelove lakšim". Zbog slobode dizajna, 3D ispisani proizvodi su učinkovitiji i zahtijevaju manje resursa. To pozitivno utječe na utjecaj proizvodnje dijelova na okoliš. Relativity Space je pokazao da aditivna proizvodnja može značajno smanjiti broj komponenti potrebnih za proizvodnju svemirskih letjelica. Za raketu Terran 1 ušteđeno je 100 dijelova. Osim toga, ova tehnologija ima značajne prednosti u brzini proizvodnje, jer se raketa dovršava za manje od 60 dana. Nasuprot tome, proizvodnja rakete tradicionalnim metodama mogla bi trajati nekoliko godina.
Što se tiče upravljanja resursima, 3D ispis može uštedjeti materijale, a u nekim slučajevima čak i omogućiti recikliranje otpada. Konačno, aditivna proizvodnja može postati vrijedna prednost za smanjenje težine raketa pri polijetanju. Cilj je maksimizirati korištenje lokalnih materijala, poput regolita, i smanjiti prijevoz materijala unutar svemirske letjelice. To omogućuje nošenje samo 3D pisača, koji sve može stvoriti na licu mjesta nakon putovanja.
Made in Space je već poslao jedan od svojih 3D printera u svemir na testiranje.
Ograničenja 3D ispisa u svemiru
Iako 3D ispis ima mnogo prednosti, tehnologija je još uvijek relativno nova i ima ograničenja. Advenit Makaya izjavio je: "Jedan od glavnih problema s aditivnom proizvodnjom u zrakoplovnoj industriji je kontrola procesa i validacija." Proizvođači mogu ući u laboratorij i testirati čvrstoću, pouzdanost i mikrostrukturu svakog dijela prije validacije, proces poznat kao nerazorno ispitivanje (NDT). Međutim, to može biti i dugotrajno i skupo, pa je krajnji cilj smanjiti potrebu za tim testovima. NASA je nedavno osnovala centar za rješavanje ovog problema, usmjeren na brzu certifikaciju metalnih komponenti proizvedenih aditivnom proizvodnjom. Centar ima za cilj koristiti digitalne blizance za poboljšanje računalnih modela proizvoda, što će inženjerima pomoći da bolje razumiju performanse i ograničenja dijelova, uključujući koliki pritisak mogu izdržati prije loma. Time se centar nada da će pomoći u promicanju primjene 3D ispisa u zrakoplovnoj industriji, čineći ga učinkovitijim u konkurenciji s tradicionalnim tehnikama proizvodnje.
Ove komponente su prošle sveobuhvatna ispitivanja pouzdanosti i čvrstoće.
S druge strane, proces provjere je drugačiji ako se proizvodnja obavlja u svemiru. Advenit Makaya iz ESA-e objašnjava: „Postoji tehnika koja uključuje analizu dijelova tijekom ispisa.“ Ova metoda pomaže u određivanju koji su tiskani proizvodi prikladni, a koji nisu. Osim toga, postoji sustav samokorekcije za 3D pisače namijenjene za svemir i testira se na metalnim strojevima. Ovaj sustav može identificirati potencijalne pogreške u procesu proizvodnje i automatski mijenjati njegove parametre kako bi ispravio sve nedostatke u dijelu. Očekuje se da će ova dva sustava poboljšati pouzdanost tiskanih proizvoda u svemiru.
Kako bi validirali rješenja za 3D ispis, NASA i ESA uspostavile su standarde. Ti standardi uključuju niz testova za određivanje pouzdanosti dijelova. Razmatraju tehnologiju fuzije u sloju praha i ažuriraju ih za druge procese. Međutim, mnogi veliki igrači u industriji materijala, kao što su Arkema, BASF, DuPont i Sabic, također pružaju ovu sljedivost.
Život u svemiru?
S napretkom tehnologije 3D ispisa, vidjeli smo mnogo uspješnih projekata na Zemlji koji koriste ovu tehnologiju za izgradnju kuća. To nas navodi na pitanje hoće li se ovaj proces moći koristiti u bliskoj ili daljoj budućnosti za izgradnju nastanjivih struktura u svemiru. Iako je život u svemiru trenutno nerealan, izgradnja kuća, posebno na Mjesecu, može biti korisna za astronaute u izvršavanju svemirskih misija. Cilj Europske svemirske agencije (ESA) je izgraditi kupole na Mjesecu koristeći lunarni regolit, koji se može koristiti za izgradnju zidova ili cigli za zaštitu astronauta od zračenja. Prema Advenitu Makayi iz ESA-e, lunarni regolit sastoji se od oko 60% metala i 40% kisika te je bitan materijal za preživljavanje astronauta jer može pružiti beskrajan izvor kisika ako se izdvoji iz ovog materijala.
NASA je dodijelila ICON-u bespovratna sredstva od 57,2 milijuna dolara za razvoj 3D sustava ispisa za izgradnju struktura na površini Mjeseca, a surađuje i s tvrtkom na stvaranju staništa Mars Dune Alpha. Cilj je testirati životne uvjete na Marsu tako što će volonteri godinu dana živjeti u staništu, simulirajući uvjete na Crvenom planetu. Ovi napori predstavljaju ključne korake prema izravnoj izgradnji 3D ispisanih struktura na Mjesecu i Marsu, što bi na kraju moglo utrti put ljudskoj kolonizaciji svemira.
U dalekoj budućnosti, ove kuće bi mogle omogućiti opstanak života u svemiru.
Vrijeme objave: 14. lipnja 2023.
