Од 20. века, људска раса је фасцинирана истраживањем свемира и разумевањем шта се налази изван Земље. Велике организације попут НАСА-е и ЕСА биле су у првим редовима истраживања свемира, а још један важан играч у овом освајању је 3Д штампање. Са могућношћу брзе производње сложених делова по ниској цени, ова технологија дизајнирања постаје све популарнија у компанијама. Омогућава стварање многих апликација, као што су сателити, свемирска одела и компоненте ракета. Заправо, према СмарТеху, очекује се да ће тржишна вредност адитивне производње у приватној свемирској индустрији достићи 2,1 милијарду евра до 2026. године. Ово поставља питање: Како 3Д штампање може помоћи људима да се истакну у свемиру?
У почетку се 3Д штампање углавном користило за брзу израду прототипова у медицинској, аутомобилској и ваздухопловној индустрији. Међутим, како је технологија постала све распрострањенија, све се више користи за компоненте финалне намене. Технологија адитивне производње метала, посебно L-PBF, омогућила је производњу разних метала са карактеристикама и издржљивошћу погодним за екстремне свемирске услове. Друге технологије 3Д штампања, као што су DED, млазно наношење везива и процес екструзије, такође се користе у производњи ваздухопловних компоненти. Последњих година појавили су се нови пословни модели, а компаније као што су Made in Space и Relativity Space користе технологију 3Д штампања за дизајнирање ваздухопловних компоненти.
Relativity Space развија 3Д штампач за ваздухопловну индустрију
Технологија 3Д штампања у ваздухопловству
Сада када смо их представили, хајде да детаљније погледамо различите технологије 3Д штампања које се користе у ваздухопловној индустрији. Прво, треба напоменути да је адитивна производња метала, посебно L-PBF, најшире коришћена у овој области. Овај процес укључује коришћење ласерске енергије за топљење металног праха слој по слој. Посебно је погодан за производњу малих, сложених, прецизних и прилагођених делова. Произвођачи ваздухопловне индустрије такође могу имати користи од DED-а, који укључује наношење металне жице или праха и углавном се користи за поправку, премазивање или производњу прилагођених металних или керамичких делова.
Насупрот томе, млазно штампање везивним материјалом, иако повољно у погледу брзине производње и ниских трошкова, није погодно за производњу високоперформансних механичких делова јер захтева кораке накнадне обраде ојачавања који повећавају време производње финалног производа. Технологија екструзије је такође ефикасна у свемирском окружењу. Треба напоменути да нису сви полимери погодни за употребу у свемиру, али високоперформансне пластике попут PEEK-а могу заменити неке металне делове због своје чврстоће. Међутим, овај процес 3Д штампања још увек није веома распрострањен, али може постати вредна предност за истраживање свемира коришћењем нових материјала.
Ласерска фузија у праху (L-PBF) је широко коришћена технологија у 3Д штампању за ваздухопловство.
Потенцијал свемирских материјала
Аерокосмичка индустрија истражује нове материјале путем 3Д штампања, предлажући иновативне алтернативе које би могле да поремете тржиште. Иако су метали попут титанијума, алуминијума и легура никла и хрома увек били у главном фокусу, нови материјал би ускоро могао да преузме пажњу: лунарни реголит. Лунарни реголит је слој прашине који прекрива Месец, а ЕСА је показала предности његовог комбиновања са 3Д штампањем. Адвенит Макаја, виши инжењер производње у ЕСА, описује лунарни реголит као сличан бетону, првенствено састављен од силицијума и других хемијских елемената као што су гвожђе, магнезијум, алуминијум и кисеоник. ЕСА је склопила партнерство са Литхозом како би произвела мале функционалне делове као што су шрафови и зупчаници користећи симулирани лунарни реголит са својствима сличним правој месечевој прашини.
Већина процеса укључених у производњу лунарног реголита користи топлоту, што га чини компатибилним са технологијама као што су SLS и решења за штампање прашкастим везивањем. ESA такође користи D-Shape технологију са циљем производње чврстих делова мешањем магнезијум хлорида са материјалима и комбиновањем са магнезијум оксидом који се налази у симулираном узорку. Једна од значајних предности овог лунарног материјала је његова финија резолуција штампе, што му омогућава производњу делова са највећом прецизношћу. Ова карактеристика би могла постати главна предност у проширењу спектра примена и производњи компоненти за будуће лунарне базе.
Лунарни реголит је свуда
Постоји и марсовски реголит, који се односи на подземни материјал пронађен на Марсу. Тренутно, међународне свемирске агенције не могу да пронађу овај материјал, али то није спречило научнике да истражују његов потенцијал у одређеним ваздухопловним пројектима. Истраживачи користе симулиране узорке овог материјала и комбинују га са легуром титанијума за производњу алата или компоненти ракета. Први резултати указују на то да ће овај материјал пружити већу чврстоћу и заштитити опрему од рђања и оштећења од зрачења. Иако ова два материјала имају слична својства, лунарни реголит је и даље најиспитиванији материјал. Још једна предност је што се ови материјали могу производити на лицу места без потребе за транспортом сировина са Земље. Поред тога, реголит је неисцрпан извор материјала, што помаже у спречавању несташице.
Примене 3Д технологије штампања у ваздухопловној индустрији
Примене технологије 3Д штампања у ваздухопловној индустрији могу да варирају у зависности од специфичног процеса који се користи. На пример, ласерска фузија прашкастог слоја (L-PBF) може се користити за производњу сложених краткотрајних делова, као што су системи алата или резервни делови за свемир. Launcher, стартап са седиштем у Калифорнији, користио је Velo3D-ову технологију 3Д штампања са сафиром и металом како би побољшао свој ракетни мотор Е-2 на течно гориво. Произвођачев процес је коришћен за креирање индукционе турбине, која игра кључну улогу у убрзавању и покретању LOX (течног кисеоника) у комору за сагоревање. Турбина и сензор су одштампани помоћу технологије 3Д штампања, а затим састављени. Ова иновативна компонента обезбеђује ракети већи проток флуида и већи потисак, што је чини суштинским делом мотора.
Velo3D је допринео коришћењу PBF технологије у производњи ракетног мотора на течно гориво E-2.
Адитивна производња има широку примену, укључујући производњу малих и великих структура. На пример, технологије 3Д штампања, као што је решење Relativity Space-а Stargate, могу се користити за производњу великих делова као што су резервоари за гориво ракета и лопатице пропелера. Relativity Space је то доказао успешном производњом Terran 1, ракете готово у потпуности штампане 3Д техником, укључујући резервоар за гориво дугачак неколико метара. Њено прво лансирање 23. марта 2023. године показало је ефикасност и поузданост процеса адитивне производње.
Технологија 3Д штампања заснована на екструзији такође омогућава производњу делова коришћењем високоперформансних материјала као што је PEEK. Компоненте направљене од ове термопластике већ су тестиране у свемиру и постављене су на ровер Рашид као део лунарне мисије УАЕ. Сврха овог теста била је да се процени отпорност PEEK-а на екстремне лунарне услове. Ако буде успешан, PEEK би могао да замени металне делове у ситуацијама када се метални делови поломе или су материјали оскудни. Поред тога, својства мале тежине PEEK-а могу бити вредна у истраживању свемира.
Технологија 3Д штампања може се користити за производњу разних делова за ваздухопловну индустрију.
Предности 3Д штампања у ваздухопловној индустрији
Предности 3Д штампања у ваздухопловној индустрији укључују побољшани коначни изглед делова у поређењу са традиционалним техникама конструкције. Јоханес Хома, извршни директор аустријског произвођача 3Д штампача Lithoz, изјавио је да „ова технологија чини делове лакшим“. Због слободе дизајна, 3Д штампани производи су ефикаснији и захтевају мање ресурса. Ово позитивно утиче на утицај производње делова на животну средину. Relativity Space је показао да адитивна производња може значајно смањити број компоненти потребних за производњу свемирских летелица. За ракету Terran 1 уштеђено је 100 делова. Поред тога, ова технологија има значајне предности у брзини производње, при чему се ракета завршава за мање од 60 дана. Насупрот томе, производња ракете коришћењем традиционалних метода могла би да траје неколико година.
Што се тиче управљања ресурсима, 3Д штампање може уштедети материјале, а у неким случајевима чак омогућити и рециклажу отпада. Коначно, адитивна производња може постати вредна предност за смањење тежине ракета при полетању. Циљ је максимизирати употребу локалних материјала, као што је реголит, и минимизирати транспорт материјала унутар свемирске летелице. Ово омогућава ношење само 3Д штампача, који може све да креира на лицу места након путовања.
Компанија Made in Space је већ послала један од својих 3Д штампача у свемир на тестирање.
Ограничења 3Д штампања у свемиру
Иако 3Д штампање има много предности, технологија је још увек релативно нова и има ограничења. Адвенит Макаја је изјавио: „Један од главних проблема адитивне производње у ваздухопловној индустрији је контрола процеса и валидација.“ Произвођачи могу ући у лабораторију и тестирати чврстоћу, поузданост и микроструктуру сваког дела пре валидације, процес познат као недеструктивно испитивање (НДТ). Међутим, ово може бити и дуготрајно и скупо, тако да је крајњи циљ смањење потребе за овим тестовима. НАСА је недавно основала центар за решавање овог проблема, фокусиран на брзу сертификацију металних компоненти произведених адитивном производњом. Центар има за циљ да користи дигиталне близанце за побољшање компјутерских модела производа, што ће помоћи инжењерима да боље разумеју перформансе и ограничења делова, укључујући колики притисак могу да издрже пре лома. Тиме се центар нада да ће помоћи у промоцији примене 3Д штампања у ваздухопловној индустрији, чинећи га ефикаснијим у конкуренцији са традиционалним техникама производње.
Ове компоненте су прошле свеобухватна испитивања поузданости и чврстоће.
С друге стране, процес верификације је другачији ако се производња обавља у свемиру. Адвенит Макаја из ЕСА објашњава: „Постоји техника која подразумева анализу делова током штампања.“ Ова метода помаже да се утврди који су штампани производи погодни, а који нису. Поред тога, постоји систем самокорекције за 3Д штампаче намењене за свемир и тестира се на металним машинама. Овај систем може да идентификује потенцијалне грешке у процесу производње и аутоматски измени његове параметре како би исправио све недостатке на делу. Очекује се да ће ова два система побољшати поузданост штампаних производа у свемиру.
Да би валидирале решења за 3Д штампање, НАСА и ЕСА су успоставиле стандарде. Ови стандарди укључују низ тестова за одређивање поузданости делова. Они разматрају технологију фузије у прашкастом слоју и ажурирају их за друге процесе. Међутим, многи главни играчи у индустрији материјала, као што су Arkema, BASF, Dupont и Sabic, такође обезбеђују ову праћење.
Живот у свемиру?
Са напретком технологије 3Д штампања, видели смо много успешних пројеката на Земљи који користе ову технологију за изградњу кућа. То нас наводи да се запитамо да ли би се овај процес могао користити у блиској или далекој будућности за изградњу настањивих објеката у свемиру. Иако је живот у свемиру тренутно нереалан, изградња кућа, посебно на Месецу, може бити корисна за астронауте у извршавању свемирских мисија. Циљ Европске свемирске агенције (ЕСА) је изградња купола на Месецу користећи лунарни реголит, који се може користити за изградњу зидова или цигли за заштиту астронаута од зрачења. Према речима Адвенита Макаје из ЕСА, лунарни реголит се састоји од око 60% метала и 40% кисеоника и представља неопходан материјал за преживљавање астронаута јер може да обезбеди неограничен извор кисеоника ако се извуче из овог материјала.
НАСА је доделила грант од 57,2 милиона долара компанији ICON за развој система 3Д штампања за изградњу структура на површини Месеца и такође сарађује са компанијом на стварању станишта Марс Дун Алфа. Циљ је тестирати животне услове на Марсу тако што ће волонтери живети у станишту годину дана, симулирајући услове на Црвеној планети. Ови напори представљају кључне кораке ка директној изградњи 3Д штампаних структура на Месецу и Марсу, што би на крају могло да отвори пут људској колонизацији свемира.
У далекој будућности, ове куће би могле омогућити опстанак живота у свемиру.
Време објаве: 14. јун 2023.
