Od 20. stoljeća ljudska rasa je fascinirana istraživanjem svemira i razumijevanjem onoga što se nalazi izvan Zemlje.Glavne organizacije poput NASA-e i ESA-e bile su na čelu istraživanja svemira, a još jedan važan igrač u tom osvajanju je 3D ispis.Uz mogućnost brze proizvodnje složenih dijelova po niskoj cijeni, ova tehnologija dizajna postaje sve popularnija u tvrtkama.Omogućuje stvaranje mnogih aplikacija, poput satelita, svemirskih odijela i komponenti raketa.Zapravo, prema SmarTechu, očekuje se da će tržišna vrijednost privatne proizvodnje aditiva za svemirsku industriju dosegnuti 2,1 milijardu eura do 2026. To postavlja pitanje: Kako 3D ispis može pomoći ljudima da budu bolji u svemiru?
U početku se 3D ispis uglavnom koristio za brzu izradu prototipova u medicinskoj, automobilskoj i zrakoplovnoj industriji.Međutim, kako je tehnologija postala raširenija, sve se više koristi za komponente konačne namjene.Tehnologija proizvodnje metalnih aditiva, posebice L-PBF, omogućila je proizvodnju raznih metala sa karakteristikama i izdržljivošću prikladnim za ekstremne svemirske uvjete.Druge tehnologije 3D ispisa, kao što su DED, mlaz veziva i postupak ekstruzije, također se koriste u proizvodnji komponenti za zrakoplovstvo.Posljednjih godina pojavili su se novi poslovni modeli s tvrtkama kao što su Made in Space i Relativity Space koje koriste tehnologiju 3D ispisa za dizajn komponenti zrakoplovstva.
Relativity Space razvija 3D pisač 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 proizvodnja metalnih aditiva, posebno L-PBF, najviše korištena u ovom području.Ovaj proces uključuje korištenje laserske energije za spajanje metalnog praha sloj po sloj.Posebno je prikladan za proizvodnju malih, složenih, preciznih i prilagođenih dijelova.Proizvođači zrakoplova također mogu imati koristi od DED-a, koji uključuje taloženje metalne žice ili praha i uglavnom se koristi za popravak, premazivanje ili proizvodnju prilagođenih metalnih ili keramičkih dijelova.
Nasuprot tome, mlaz veziva, iako ima prednost u smislu brzine proizvodnje i niske cijene, nije prikladan za proizvodnju mehaničkih dijelova visokih performansi jer zahtijeva korake ojačanja nakon obrade koji povećavaju vrijeme proizvodnje konačnog proizvoda.Tehnologija ekstruzije također je učinkovita u svemirskom okruženju.Valja napomenuti da nisu svi polimeri prikladni za korištenje u svemiru, ali plastika visokih performansi poput PEEK-a može zamijeniti neke metalne dijelove zbog svoje čvrstoće.Međutim, ovaj proces 3D ispisa još uvijek nije jako raširen, ali može postati vrijedno sredstvo za istraživanje svemira korištenjem novih materijala.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) široko je korištena tehnologija u 3D ispisu za zrakoplovstvo.
Potencijal svemirskih materijala
Zrakoplovna industrija istražuje nove materijale putem 3D ispisa, predlažući inovativne alternative koje bi mogle poremetiti tržište.Dok su metali kao što su titan, aluminij i legure nikal-kroma uvijek bili glavni fokus, novi materijal bi uskoro mogao ukrasti pozornost: lunarni regolit.Mjesečev regolit je sloj prašine koji prekriva Mjesec, a ESA je pokazala prednosti njegove kombinacije s 3D printanjem.Advenit Makaya, viši inženjer proizvodnje ESA-e, opisuje mjesečev regolit kao sličan betonu, prvenstveno sastavljen od silicija i drugih kemijskih elemenata kao što su željezo, magnezij, aluminij i kisik.ESA se udružila s tvrtkom Lithoz za proizvodnju malih funkcionalnih dijelova kao što su vijci i zupčanici koristeći simulirani lunarni regolit sa svojstvima sličnim pravoj mjesečevoj prašini.
Većina procesa koji su uključeni u proizvodnju lunarnog regolita koristi toplinu, što ga čini kompatibilnim s tehnologijama kao što su SLS i rješenja za ispis vezanih prahom.ESA također koristi D-Shape tehnologiju s ciljem proizvodnje čvrstih dijelova miješanjem magnezijevog klorida s materijalima i njegovim 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 izradu dijelova s najvećom preciznošću.Ova bi značajka mogla postati primarna prednost u proširenju raspona primjena i proizvodnih komponenti za buduće lunarne baze.
Mjesečev regolit je posvuda
Tu je i Marsov regolit, koji se odnosi na podzemni materijal pronađen na Marsu.Trenutno međunarodne svemirske agencije ne mogu povratiti 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 legurom titana za proizvodnju alata ili komponenti rakete.Početni rezultati pokazuju da će ovaj materijal pružiti veću čvrstoću i zaštititi opremu od hrđanja i oštećenja radijacijom.Iako ova dva materijala imaju slična svojstva, lunarni regolit je još uvijek najviše testiran materijal.Još jedna prednost je što se ti materijali mogu proizvoditi na licu mjesta bez potrebe za transportom sirovina sa Zemlje.Osim toga, regolit je neiscrpan materijalni izvor koji pomaže u sprječavanju nestašice.
Primjena tehnologije 3D ispisa u zrakoplovnoj industriji
Primjene tehnologije 3D ispisa u zrakoplovnoj industriji mogu varirati ovisno o specifičnom procesu koji se koristi.Na primjer, laserska fuzija praha (L-PBF) može se koristiti za proizvodnju zamršenih kratkotrajnih dijelova, kao što su sustavi alata ili svemirski rezervni dijelovi.Launcher, startup sa sjedištem u Kaliforniji, koristio je Velo3D-ovu tehnologiju 3D ispisa safir-metal kako bi poboljšao svoj E-2 raketni motor na tekućinu.Proces proizvođača korišten je za izradu indukcijske turbine, koja ima ključnu ulogu u ubrzavanju i tjeranju LOX (tekućeg kisika) u komoru za izgaranje.Turbina i senzor ispisani su tehnologijom 3D ispisa i zatim sastavljeni.Ova inovativna komponenta daje raketi veći protok tekućine i veći potisak, čineći je bitnim dijelom motora
Velo3D je doprinio korištenju PBF tehnologije u proizvodnji E-2 tekućeg raketnog motora.
Aditivna proizvodnja ima široku primjenu, uključujući proizvodnju malih i velikih konstrukcija.Na primjer, tehnologije 3D ispisa kao što je rješenje Stargate tvrtke Relativity Space može se koristiti za proizvodnju velikih dijelova kao što su spremnici raketnog goriva i lopatice propelera.Relativity Space je to dokazao kroz uspješnu proizvodnju Terrana 1, gotovo potpuno 3D tiskane rakete, uključujući nekoliko metara dug spremnik goriva.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 materijala visokih performansi kao što je PEEK.Komponente izrađene od ove termoplastike već su testirane u svemiru i postavljene su na rover Rashid u sklopu lunarne misije UAE.Svrha ovog testa bila je procijeniti otpornost PEEK-a na ekstremne lunarne uvjete.Ako uspije, PEEK bi mogao zamijeniti metalne dijelove u situacijama kada se metalni dijelovi polome ili su materijali rijetki.Osim toga, PEEK-ova lagana svojstva mogu biti od koristi u istraživanju svemira.
Tehnologija 3D ispisa može se koristiti za proizvodnju raznih dijelova za zrakoplovnu industriju.
Prednosti 3D printanja u zrakoplovnoj industriji
Prednosti 3D printanja u zrakoplovnoj industriji uključuju poboljšani konačni izgled dijelova u usporedbi s tradicionalnim tehnikama gradnje.Johannes Homa, izvršni direktor austrijskog proizvođača 3D pisača Lithoz, izjavio je da "ova tehnologija čini dijelove lakšima".Zbog slobode dizajna, 3D printani proizvodi su učinkovitiji i zahtijevaju manje resursa.To ima pozitivan učinak 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 sačuvano je 100 dijelova.Osim toga, ova tehnologija ima značajne prednosti u brzini proizvodnje, s raketom koja se 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 i, u nekim slučajevima, čak omogućiti recikliranje otpada.Konačno, aditivna proizvodnja može postati vrijedno sredstvo za smanjenje težine raketa pri polijetanju.Cilj je maksimalno iskoristiti lokalne materijale, poput regolita, i minimizirati transport materijala unutar svemirskih letjelica.To omogućuje nošenje samo 3D pisača, koji može sve izraditi na licu mjesta nakon putovanja.
Made in Space je već poslao jedan od svojih 3D printera u svemir na testiranje.
Ograničenja 3D printanja u prostoru
Iako 3D ispis ima mnoge prednosti, tehnologija je još uvijek relativno nova i ima ograničenja.Advenit Makaya je izjavio: "Jedan od glavnih problema s aditivnom proizvodnjom u zrakoplovnoj industriji je kontrola procesa i validacija."Proizvođači mogu ući u laboratorij i testirati snagu, pouzdanost i mikrostrukturu svakog dijela prije validacije, procesa poznatog kao ispitivanje bez razaranja (NDT).Međutim, to može biti i dugotrajno i skupo, stoga je krajnji cilj smanjiti potrebu za tim testovima.NASA je nedavno uspostavila centar za rješavanje ovog problema, usmjeren na brzu certifikaciju metalnih komponenti proizvedenih aditivnom proizvodnjom.Centar ima za cilj korištenje digitalnih blizanaca za poboljšanje računalnih modela proizvoda, što će pomoći inženjerima da bolje razumiju performanse i ograničenja dijelova, uključujući i to koliko pritiska mogu izdržati prije nego što se slome.Time se centar nada pomoći u promicanju primjene 3D ispisa u zrakoplovnoj industriji, čineći ga učinkovitijim u natjecanju s tradicionalnim tehnikama proizvodnje.
Ove komponente su prošle sveobuhvatno ispitivanje pouzdanosti i čvrstoće.
S druge strane, postupak provjere je drugačiji ako se proizvodnja odvija u svemiru.Advenit Makaya iz ESA-e objašnjava: "Postoji tehnika koja uključuje analizu dijelova tijekom ispisa."Ova metoda pomaže odrediti koji su tiskani proizvodi prikladni, a koji nisu.Dodatno, tu je i sustav samoispravljanja za 3D printere namijenjen svemiru koji se testira na metalnim strojevima.Ovaj sustav može identificirati potencijalne greške u proizvodnom procesu i automatski modificirati svoje parametre kako bi ispravio sve nedostatke u dijelu.Očekuje se da će ova dva sustava poboljšati pouzdanost tiskanih proizvoda u svemiru.
Kako bi potvrdili rješenja za 3D ispis, NASA i ESA uspostavile su standarde.Ovi standardi uključuju niz testova za određivanje pouzdanosti dijelova.Oni razmatraju tehnologiju fuzije u sloju praha i ažuriraju je za druge procese.Međutim, mnogi veliki igrači u industriji materijala, kao što su Arkema, BASF, Dupont i Sabic, također pružaju ovu sljedivost.
Živjeti u svemiru?
S napretkom tehnologije 3D ispisa, vidjeli smo mnoge uspješne projekte na Zemlji koji ovu tehnologiju koriste za izgradnju kuća.Zbog toga se pitamo bi li se ovaj proces mogao koristiti u bliskoj ili daljoj budućnosti za izgradnju nastanjivih struktura u svemiru.Iako je život u svemiru trenutno nerealan, gradnja kuća, osobito 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 radijacije.Prema Advenitu Makayi iz ESA-e, lunarni regolit sastoji se od oko 60% metala i 40% kisika i neophodan je materijal za preživljavanje astronauta jer može pružiti beskrajan izvor kisika ako se ekstrahira iz tog materijala.
NASA je dodijelila potporu od 57,2 milijuna dolara tvrtki ICON za razvoj sustava 3D ispisa za izgradnju struktura na površini Mjeseca, a također surađuje 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 kritične korake prema izravnoj konstrukciji 3D tiskanih struktura na Mjesecu i Marsu, što bi na kraju moglo otvoriti put ljudskoj kolonizaciji svemira.
U dalekoj budućnosti te bi kuće mogle omogućiti opstanak života u svemiru.
Vrijeme objave: 14. lipnja 2023