Начиная с XX века, человечество очаровано исследованием космоса и изучением того, что находится за пределами Земли. Крупнейшие организации, такие как NASA и ESA, находятся на передовой космической отрасли, и еще одним важным игроком в этом стремлении является 3D-печать. Благодаря возможности быстрого и недорогого производства сложных деталей, эта технология проектирования становится все более популярной в компаниях. Она делает возможным создание множества приложений, таких как спутники, скафандры и компоненты ракет. Фактически, по данным SmarTech, рыночная стоимость частной космической отрасли, использующей аддитивные технологии, к 2026 году, как ожидается, достигнет 2,1 миллиарда евро. Это поднимает вопрос: как 3D-печать может помочь человечеству преуспеть в космосе?
Изначально 3D-печать использовалась в основном для быстрого прототипирования в медицинской, автомобильной и аэрокосмической отраслях. Однако по мере распространения технологии она все чаще применяется для изготовления компонентов конечного назначения. Технология аддитивного производства металлов, в частности L-PBF, позволила производить различные металлы с характеристиками и прочностью, подходящими для экстремальных космических условий. Другие технологии 3D-печати, такие как DED, струйная печать связующим веществом и экструзионный процесс, также используются в производстве аэрокосмических компонентов. В последние годы появились новые бизнес-модели, и такие компании, как Made in Space и Relativity Space, используют технологию 3D-печати для проектирования аэрокосмических компонентов.
Компания Relativity Space разрабатывает 3D-принтер для аэрокосмической отрасли.
Технология 3D-печати в аэрокосмической отрасли
Теперь, когда мы их представили, давайте подробнее рассмотрим различные технологии 3D-печати, используемые в аэрокосмической отрасли. Во-первых, следует отметить, что аддитивное производство металлов, особенно L-PBF, является наиболее широко используемым в этой области. Этот процесс включает в себя использование лазерной энергии для послойного сплавления металлического порошка. Он особенно подходит для производства небольших, сложных, точных и изготовленных на заказ деталей. Производители аэрокосмической техники также могут извлечь выгоду из DED, который включает в себя нанесение металлической проволоки или порошка и в основном используется для ремонта, нанесения покрытий или производства металлических или керамических деталей на заказ.
В отличие от этого, технология струйной печати связующим веществом, хотя и выгодна с точки зрения скорости производства и низкой стоимости, не подходит для изготовления высокоэффективных механических деталей, поскольку требует этапов постобработки для упрочнения, что увеличивает время изготовления конечного продукта. Экструзионная технология также эффективна в космической среде. Следует отметить, что не все полимеры подходят для использования в космосе, но высокоэффективные пластмассы, такие как PEEK, могут заменить некоторые металлические детали благодаря своей прочности. Однако этот процесс 3D-печати пока не получил широкого распространения, но он может стать ценным инструментом для освоения космоса благодаря использованию новых материалов.
Технология лазерного спекания порошкового слоя (L-PBF) широко используется в 3D-печати для аэрокосмической отрасли.
Потенциал космических материалов
Аэрокосмическая отрасль исследует новые материалы с помощью 3D-печати, предлагая инновационные альтернативы, которые могут изменить рынок. Хотя металлы, такие как титан, алюминий и никель-хромовые сплавы, всегда были в центре внимания, вскоре новый материал может перетянуть все внимание на себя: лунный реголит. Лунный реголит — это слой пыли, покрывающий Луну, и ЕКА продемонстрировало преимущества его использования в сочетании с 3D-печатью. Адвенит Макайя, старший инженер-технолог ЕКА, описывает лунный реголит как материал, похожий на бетон, состоящий в основном из кремния и других химических элементов, таких как железо, магний, алюминий и кислород. ЕКА сотрудничает с компанией Lithoz для производства небольших функциональных деталей, таких как винты и шестерни, используя имитированный лунный реголит со свойствами, аналогичными настоящей лунной пыли.
Большинство процессов, связанных с производством лунного реголита, используют нагрев, что делает его совместимым с такими технологиями, как SLS и порошковая печать. ЕКА также использует технологию D-Shape с целью производства твердых деталей путем смешивания хлорида магния с материалами и соединения его с оксидом магния, содержащимся в имитированном образце. Одним из существенных преимуществ этого лунного материала является более высокое разрешение печати, позволяющее производить детали с высочайшей точностью. Эта особенность может стать основным преимуществом в расширении спектра применения и производстве компонентов для будущих лунных баз.
Лунный реголит повсюду
Существует также марсианский реголит, представляющий собой подповерхностный материал, обнаруженный на Марсе. В настоящее время международные космические агентства не могут добыть этот материал, но это не останавливает ученых от исследования его потенциала в некоторых аэрокосмических проектах. Исследователи используют смоделированные образцы этого материала и комбинируют его с титановым сплавом для производства инструментов или компонентов ракет. Первые результаты показывают, что этот материал обеспечит более высокую прочность и защитит оборудование от ржавчины и радиационного воздействия. Хотя эти два материала имеют схожие свойства, лунный реголит по-прежнему является наиболее исследованным материалом. Еще одним преимуществом является то, что эти материалы могут быть изготовлены на месте без необходимости транспортировки сырья с Земли. Кроме того, реголит является неисчерпаемым источником материала, что помогает предотвратить его дефицит.
Применение технологии 3D-печати в аэрокосмической отрасли
Применение технологии 3D-печати в аэрокосмической отрасли может варьироваться в зависимости от используемого процесса. Например, лазерное спекание порошкового слоя (L-PBF) может использоваться для изготовления сложных деталей в сжатые сроки, таких как инструментальные системы или запасные части для космических аппаратов. Калифорнийский стартап Launcher использовал технологию 3D-печати сапфиром от Velo3D для усовершенствования своего жидкостного ракетного двигателя E-2. Технология производителя была использована для создания индукционной турбины, которая играет решающую роль в ускорении и подаче жидкого кислорода (LOX) в камеру сгорания. Турбина и датчик были напечатаны с использованием технологии 3D-печати, а затем собраны. Этот инновационный компонент обеспечивает ракете больший поток жидкости и большую тягу, что делает его важной частью двигателя.
Компания Velo3D внесла свой вклад в использование технологии PBF при производстве жидкостного ракетного двигателя E-2.
Аддитивное производство имеет широкое применение, включая изготовление малых и больших конструкций. Например, технологии 3D-печати, такие как решение Stargate от Relativity Space, могут использоваться для изготовления крупных деталей, таких как топливные баки ракет и лопасти пропеллеров. Компания Relativity Space доказала это на примере успешного производства ракеты Terran 1, почти полностью напечатанной на 3D-принтере, включая топливный бак длиной в несколько метров. Ее первый запуск 23 марта 2023 года продемонстрировал эффективность и надежность процессов аддитивного производства.
Технология экструзионной 3D-печати также позволяет производить детали из высокоэффективных материалов, таких как PEEK. Компоненты из этого термопластика уже прошли испытания в космосе и были установлены на луноходе «Рашид» в рамках лунной миссии ОАЭ. Целью этого испытания была оценка устойчивости PEEK к экстремальным лунным условиям. В случае успеха PEEK может заменить металлические детали в ситуациях, когда металлические детали ломаются или материалы дефицитны. Кроме того, малый вес PEEK может быть полезен в освоении космоса.
Технология 3D-печати может использоваться для изготовления самых разнообразных деталей для аэрокосмической отрасли.
Преимущества 3D-печати в аэрокосмической отрасли
Преимущества 3D-печати в аэрокосмической отрасли включают улучшенный внешний вид деталей по сравнению с традиционными методами конструирования. Йоханнес Хома, генеральный директор австрийского производителя 3D-принтеров Lithoz, заявил: «Эта технология делает детали легче». Благодаря свободе проектирования, изделия, напечатанные на 3D-принтере, более эффективны и требуют меньше ресурсов. Это положительно сказывается на воздействии производства деталей на окружающую среду. Компания Relativity Space продемонстрировала, что аддитивное производство может значительно сократить количество компонентов, необходимых для изготовления космических аппаратов. Для ракеты Terran 1 удалось сэкономить 100 деталей. Кроме того, эта технология имеет значительные преимущества в скорости производства: ракета была завершена менее чем за 60 дней. В отличие от этого, изготовление ракеты традиционными методами могло бы занять несколько лет.
Что касается управления ресурсами, 3D-печать позволяет экономить материалы и в некоторых случаях даже перерабатывать отходы. Наконец, аддитивное производство может стать ценным инструментом для снижения стартового веса ракет. Цель состоит в том, чтобы максимально использовать местные материалы, такие как реголит, и минимизировать транспортировку материалов внутри космического аппарата. Это позволяет брать с собой только 3D-принтер, который сможет изготовить все необходимое на месте после полета.
Компания Made in Space уже отправила один из своих 3D-принтеров в космос для тестирования.
Ограничения 3D-печати в космосе
Несмотря на множество преимуществ, 3D-печать — это относительно новая технология, имеющая свои ограничения. Адвенит Макайя отметил: «Одна из главных проблем аддитивного производства в аэрокосмической отрасли — это контроль и валидация процесса». Производители могут пройти лабораторные испытания прочности, надежности и микроструктуры каждой детали перед валидацией — процесс, известный как неразрушающий контроль (НК). Однако это может быть как трудоемким, так и дорогостоящим, поэтому конечная цель — сократить необходимость в таких испытаниях. Недавно НАСА создало центр для решения этой проблемы, специализирующийся на быстрой сертификации металлических компонентов, изготовленных методом аддитивного производства. Центр стремится использовать цифровые двойники для улучшения компьютерных моделей изделий, что поможет инженерам лучше понимать характеристики и ограничения деталей, включая то, какое давление они могут выдержать до разрушения. Таким образом, центр надеется способствовать развитию применения 3D-печати в аэрокосмической отрасли, сделав ее более эффективной в конкуренции с традиционными методами производства.
Эти компоненты прошли всесторонние испытания на надежность и прочность.
С другой стороны, процесс проверки отличается, если производство осуществляется в космосе. Адвенит Макайя из ЕКА объясняет: «Существует методика, включающая анализ деталей во время печати». Этот метод помогает определить, какие напечатанные изделия подходят, а какие нет. Кроме того, существует система самокоррекции для 3D-принтеров, предназначенных для использования в космосе, которая сейчас тестируется на металлообрабатывающих станках. Эта система может выявлять потенциальные ошибки в процессе производства и автоматически изменять свои параметры для исправления любых дефектов в детали. Ожидается, что эти две системы повысят надежность напечатанных изделий в космосе.
Для проверки решений в области 3D-печати НАСА и ЕКА разработали стандарты. Эти стандарты включают в себя ряд тестов для определения надежности деталей. Они учитывают технологию послойного спекания порошка и обновляются для других процессов. Однако многие крупные игроки в индустрии материалов, такие как Arkema, BASF, Dupont и Sabic, также обеспечивают такую прослеживаемость.
Жить в космосе?
Благодаря развитию технологии 3D-печати мы видим множество успешных проектов на Земле, в которых эта технология используется для строительства домов. Это заставляет нас задуматься, может ли этот процесс быть использован в ближайшем или отдаленном будущем для строительства пригодных для жизни сооружений в космосе. Хотя жизнь в космосе в настоящее время нереалистична, строительство домов, особенно на Луне, может быть полезно для астронавтов при выполнении космических миссий. Цель Европейского космического агентства (ESA) — построить купола на Луне, используя лунный реголит, который можно использовать для строительства стен или кирпичей для защиты астронавтов от радиации. По словам Адвенита Макайи из ESA, лунный реголит состоит примерно на 60% из металла и на 40% из кислорода и является важным материалом для выживания астронавтов, поскольку при извлечении из него кислорода может быть обеспечен бесконечный источник кислорода.
НАСА выделило компании ICON грант в размере 57,2 миллиона долларов на разработку системы 3D-печати для строительства сооружений на лунной поверхности, а также сотрудничает с компанией в создании марсианской среды обитания Dune Alpha. Цель состоит в том, чтобы протестировать условия жизни на Марсе, предоставив добровольцам возможность прожить в такой среде обитания в течение года, имитируя условия на Красной планете. Эти усилия представляют собой важные шаги на пути к непосредственному строительству 3D-печатных сооружений на Луне и Марсе, что в конечном итоге может проложить путь к колонизации космоса человеком.
В далёком будущем эти дома могут позволить жизни существовать в космосе.
Дата публикации: 14 июня 2023 г.
