С 20-го века человеческая раса увлечена исследованием космоса и пониманием того, что находится за пределами Земли.Крупные организации, такие как НАСА и ЕКА, были в авангарде освоения космоса, и еще одним важным игроком в этом завоевании является 3D-печать.Благодаря возможности быстро и недорого производить сложные детали, эта технология проектирования становится все более популярной в компаниях.Это делает возможным создание многих приложений, таких как спутники, скафандры и компоненты ракет.Фактически, согласно SmarTech, рыночная стоимость аддитивного производства в частной космической отрасли к 2026 году, как ожидается, достигнет 2,1 миллиарда евро. В связи с этим возникает вопрос: как 3D-печать может помочь людям добиться успеха в космосе?
Первоначально 3D-печать в основном использовалась для быстрого прототипирования в медицинской, автомобильной и аэрокосмической промышленности.Однако по мере того, как технология становилась все более распространенной, она все чаще используется для компонентов конечного назначения.Технология аддитивного производства металлов, в частности L-PBF, позволила производить различные металлы с характеристиками и долговечностью, подходящими для экстремальных космических условий.Другие технологии 3D-печати, такие как DED, распыление связующего и процесс экструзии, также используются при производстве компонентов для аэрокосмической отрасли.В последние годы появились новые бизнес-модели: такие компании, как Made in Space и Relativity Space, используют технологию 3D-печати для проектирования аэрокосмических компонентов.
Relativity Space разрабатывает 3D-принтер для аэрокосмической промышленности
Технология 3D-печати в аэрокосмической отрасли
Теперь, когда мы представили их, давайте подробнее рассмотрим различные технологии 3D-печати, используемые в аэрокосмической отрасли.Во-первых, следует отметить, что аддитивное производство металлов, особенно L-PBF, наиболее широко используется в этой области.Этот процесс включает использование энергии лазера для плавления металлического порошка слой за слоем.Он особенно подходит для производства небольших, сложных, точных и индивидуальных деталей.Производители аэрокосмической отрасли также могут извлечь выгоду из DED, который включает в себя напыление металлической проволоки или порошка и в основном используется для ремонта, нанесения покрытий или изготовления металлических или керамических деталей по индивидуальному заказу.
Напротив, струйная обработка связующим, хотя и выгодна с точки зрения скорости производства и низкой стоимости, не подходит для производства высокопроизводительных механических деталей, поскольку требует этапов постобработки, которые увеличивают время изготовления конечного продукта.Экструзионная технология также эффективна в космической среде.Следует отметить, что не все полимеры подходят для использования в космосе, но высокоэффективные пластики, такие как PEEK, благодаря своей прочности могут заменить некоторые металлические детали.Тем не менее, этот процесс 3D-печати все еще не очень распространен, но он может стать ценным активом для освоения космоса за счет использования новых материалов.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) — широко используемая технология 3D-печати для аэрокосмической отрасли.
Потенциал космических материалов
Аэрокосмическая промышленность исследует новые материалы с помощью 3D-печати, предлагая инновационные альтернативы, которые могут изменить рынок.В то время как металлы, такие как титан, алюминий и никель-хромовые сплавы, всегда были в центре внимания, новый материал может скоро привлечь внимание: лунный реголит.Лунный реголит — это слой пыли, покрывающий Луну, и ЕКА продемонстрировало преимущества его сочетания с 3D-печатью.Адвенит Макая, старший инженер-технолог ЕКА, описывает лунный реголит как аналог бетона, в основном состоящего из кремния и других химических элементов, таких как железо, магний, алюминий и кислород.ESA сотрудничает с Lithoz для производства небольших функциональных деталей, таких как винты и шестерни, с использованием имитации лунного реголита со свойствами, подобными настоящей лунной пыли.
В большинстве процессов, связанных с производством лунного реголита, используется тепло, что делает его совместимым с такими технологиями, как SLS и решения для порошковой печати.ESA также использует технологию D-Shape с целью производства твердых деталей путем смешивания хлорида магния с материалами и его объединения с оксидом магния, обнаруженным в смоделированном образце.Одним из существенных преимуществ этого лунного материала является более высокое разрешение печати, позволяющее изготавливать детали с высочайшей точностью.Эта функция может стать основным преимуществом в расширении диапазона применения и производства компонентов для будущих лунных баз.
Лунный реголит повсюду
Существует также марсианский реголит, относящийся к подповерхностному материалу, найденному на Марсе.В настоящее время международные космические агентства не могут восстановить этот материал, но это не мешает ученым исследовать его потенциал в некоторых аэрокосмических проектах.Исследователи используют смоделированные образцы этого материала и комбинируют его с титановым сплавом для производства инструментов или компонентов ракет.Первоначальные результаты показывают, что этот материал обеспечит более высокую прочность и защитит оборудование от коррозии и радиационного повреждения.Хотя эти два материала имеют схожие свойства, лунный реголит по-прежнему остается наиболее проверенным материалом.Еще одно преимущество заключается в том, что эти материалы можно производить на месте без необходимости транспортировки сырья с Земли.Кроме того, реголит является неисчерпаемым источником материалов, помогающим предотвратить дефицит.
Применение технологии 3D-печати в аэрокосмической промышленности
Применение технологии 3D-печати в аэрокосмической отрасли может варьироваться в зависимости от конкретного используемого процесса.Например, лазерная сварка в порошковом слое (L-PBF) может использоваться для изготовления сложных краткосрочных деталей, таких как инструментальные системы или космические запасные части.Калифорнийский стартап Launcher использовал технологию 3D-печати Velo3D из сапфирового металла для усовершенствования своего жидкостного ракетного двигателя E-2.Процесс производителя был использован для создания индукционной турбины, которая играет решающую роль в ускорении и подаче LOX (жидкого кислорода) 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 неотъемлемой частью двигателя.
Velo3D способствовала использованию технологии PBF при производстве жидкостного ракетного двигателя Е-2.
Аддитивное производство имеет широкое применение, включая производство малых и больших конструкций.Например, технологии 3D-печати, такие как решение Stargate от Relativity Space, можно использовать для изготовления крупных деталей, таких как топливные баки ракет и лопасти пропеллеров.Relativity Space доказала это успешным производством ракеты Terran 1, почти полностью напечатанной на 3D-принтере, включая топливный бак длиной в несколько метров.Его первый запуск 23 марта 2023 года продемонстрировал эффективность и надежность процессов аддитивного производства.
Технология 3D-печати на основе экструзии также позволяет изготавливать детали из высокоэффективных материалов, таких как PEEK.Компоненты из этого термопластика уже прошли испытания в космосе и были размещены на марсоходе Рашид в рамках лунной миссии ОАЭ.Цель этого испытания состояла в том, чтобы оценить устойчивость PEEK к экстремальным лунным условиям.В случае успеха PEEK сможет заменить металлические детали в ситуациях, когда металлические детали ломаются или материалов не хватает.Кроме того, легкие свойства PEEK могут быть полезны при исследовании космоса.
Технология 3D-печати может использоваться для изготовления различных деталей для аэрокосмической промышленности.
Преимущества 3D-печати в аэрокосмической отрасли
Преимущества 3D-печати в аэрокосмической отрасли включают улучшенный окончательный вид деталей по сравнению с традиционными методами строительства.Йоханнес Хома, генеральный директор австрийского производителя 3D-принтеров Lithoz, заявил, что «эта технология делает детали легче».Благодаря свободе дизайна 3D-печатные продукты более эффективны и требуют меньше ресурсов.Это оказывает положительное влияние на воздействие производства деталей на окружающую среду.Relativity Space продемонстрировала, что аддитивное производство может значительно сократить количество компонентов, необходимых для производства космических аппаратов.Для ракеты Terran 1 было сохранено 100 деталей.Кроме того, эта технология имеет значительные преимущества в скорости производства: ракета изготавливается менее чем за 60 дней.Напротив, изготовление ракеты традиционными методами может занять несколько лет.
Что касается управления ресурсами, 3D-печать может сэкономить материалы, а в некоторых случаях даже позволить перерабатывать отходы.Наконец, аддитивное производство может стать ценным инструментом для снижения взлетной массы ракет.Цель состоит в том, чтобы максимально использовать местные материалы, такие как реголит, и свести к минимуму транспортировку материалов внутри космического корабля.Это позволяет возить с собой только 3D-принтер, который может создать все на месте после поездки.
Made in Space уже отправила один из своих 3D-принтеров в космос для испытаний.
Ограничения 3D-печати в космосе
Хотя 3D-печать имеет много преимуществ, эта технология все еще относительно нова и имеет ограничения.Адвенит Макая заявил: «Одной из основных проблем аддитивного производства в аэрокосмической отрасли является контроль и проверка процессов».Производители могут войти в лабораторию и проверить прочность, надежность и микроструктуру каждой детали перед проверкой — процессом, известным как неразрушающий контроль (НК).Однако это может занять много времени и средств, поэтому конечной целью является сокращение потребности в этих тестах.НАСА недавно создало центр для решения этой проблемы, специализирующийся на быстрой сертификации металлических компонентов, изготовленных методом аддитивного производства.Целью центра является использование цифровых двойников для улучшения компьютерных моделей продуктов, которые помогут инженерам лучше понять характеристики и ограничения деталей, в том числе то, какое давление они могут выдержать до разрушения.Тем самым центр надеется способствовать распространению 3D-печати в аэрокосмической отрасли, что сделает ее более эффективной в конкурентной борьбе с традиционными технологиями производства.
Эти компоненты прошли всесторонние испытания на надежность и прочность.
С другой стороны, процесс проверки отличается, если производство осуществляется в космосе.Адвенит Макая из ESA объясняет: «Существует метод, который включает анализ деталей во время печати».Этот метод помогает определить, какая печатная продукция подходит, а какая нет.Кроме того, существует система самокоррекции для 3D-принтеров, предназначенных для космоса, и она проходит испытания на металлических станках.Эта система может выявлять потенциальные ошибки в производственном процессе и автоматически изменять свои параметры для исправления любых дефектов детали.Ожидается, что эти две системы повысят надежность печатной продукции в космосе.
Для проверки решений для 3D-печати НАСА и ЕКА установили стандарты.Эти стандарты включают серию испытаний для определения надежности деталей.Они рассматривают технологию плавки в порошковом слое и обновляют ее для других процессов.Однако многие крупные игроки в индустрии материалов, такие как Arkema, BASF, Dupont и Sabic, также обеспечивают такую возможность отслеживания.
Жить в космосе?
С развитием технологии 3D-печати мы увидели множество успешных проектов на Земле, в которых эта технология используется для строительства домов.Это заставляет нас задаться вопросом, может ли этот процесс быть использован в ближайшем или отдаленном будущем для создания обитаемых структур в космосе.Хотя жить в космосе в настоящее время нереально, строительство домов, особенно на Луне, может быть полезным для астронавтов при выполнении космических миссий.Целью Европейского космического агентства (ЕКА) является строительство куполов на Луне с использованием лунного реголита, который можно использовать для строительства стен или кирпичей для защиты астронавтов от радиации.По словам Адвенита Макая из ЕКА, лунный реголит состоит примерно на 60% из металла и на 40% из кислорода и является важным материалом для выживания астронавтов, поскольку он может обеспечить бесконечный источник кислорода, если его извлечь из этого материала.
НАСА предоставило ICON грант в размере 57,2 миллиона долларов на разработку системы 3D-печати для строительства конструкций на поверхности Луны, а также сотрудничает с компанией для создания среды обитания Mars Dune Alpha.Цель состоит в том, чтобы проверить условия жизни на Марсе, заставив добровольцев жить в среде обитания в течение одного года, имитируя условия на Красной планете.Эти усилия представляют собой важные шаги к непосредственному созданию 3D-печатных структур на Луне и Марсе, которые в конечном итоге могут проложить путь для колонизации космоса людьми.
В далеком будущем эти дома могли бы позволить жизни выжить в космосе.
Время публикации: 14 июня 2023 г.