A 20. század óta az emberiség lenyűgözve figyeli az űr felfedezését és a Földön túli világ megértését. Az olyan jelentős szervezetek, mint a NASA és az ESA, az űrkutatás élvonalában járnak, és ennek a hódításnak egy másik fontos szereplője a 3D nyomtatás. Azáltal, hogy gyorsan és alacsony költséggel lehet összetett alkatrészeket előállítani, ez a tervezési technológia egyre népszerűbb a vállalatok körében. Számos alkalmazás létrehozását teszi lehetővé, például műholdak, űrruhák és rakétaalkatrészek. A SmarTech szerint a magán űriparban az additív gyártás piaci értéke várhatóan eléri a 2,1 milliárd eurót 2026-ra. Ez felveti a kérdést: Hogyan segíthet a 3D nyomtatás az embereknek az űrben való kiemelkedésben?
A 3D nyomtatást kezdetben főként gyors prototípusgyártáshoz használták az orvostudományban, az autóiparban és a repülőgépiparban. Azonban, ahogy a technológia egyre szélesebb körben elterjedt, egyre inkább végfelhasználói alkatrészekhez is használják. A fém additív gyártási technológia, különösen az L-PBF, lehetővé tette számos olyan fém előállítását, amelyek tulajdonságai és tartóssága alkalmasak a szélsőséges űrkörülményekre. Más 3D nyomtatási technológiákat, például a DED-et, a kötőanyag-sugaras eljárást és az extrudálási eljárást is alkalmaznak a repülőgépipari alkatrészek gyártásában. Az elmúlt években új üzleti modellek jelentek meg, olyan cégekkel, mint a Made in Space és a Relativity Space, amelyek 3D nyomtatási technológiát használnak repülőgépipari alkatrészek tervezéséhez.
A Relativity Space 3D nyomtatót fejleszt a repülőgépipar számára
3D nyomtatási technológia a repülőgépiparban
Most, hogy bemutattuk őket, nézzük meg közelebbről a repülőgépiparban használt különféle 3D nyomtatási technológiákat. Először is meg kell jegyezni, hogy a fém additív gyártás, különösen az L-PBF, a legelterjedtebb ezen a területen. Ez az eljárás lézerenergia használatával történik a fémpor rétegenkénti olvasztására. Különösen alkalmas kis, összetett, precíz és egyedi alkatrészek gyártására. A repülőgépgyártók is profitálhatnak a DED-ből, amely fémhuzal vagy por lerakását jelenti, és főként egyedi fém- vagy kerámia alkatrészek javítására, bevonására vagy gyártására használják.
Ezzel szemben a kötőanyag-szórás, bár a gyártási sebesség és az alacsony költség szempontjából előnyös, nem alkalmas nagy teljesítményű mechanikus alkatrészek előállítására, mivel utólagos erősítő lépéseket igényel, amelyek növelik a végtermék gyártási idejét. Az extrudálási technológia az űrkörnyezetben is hatékony. Meg kell jegyezni, hogy nem minden polimer alkalmas űrben való felhasználásra, de a nagy teljesítményű műanyagok, mint például a PEEK, szilárdságuknak köszönhetően egyes fém alkatrészeket helyettesíthetnek. Ez a 3D nyomtatási eljárás azonban még mindig nem túl elterjedt, de az új anyagok felhasználásával értékes eszközzé válhat az űrkutatásban.
A lézeres porágyas fúzió (L-PBF) egy széles körben használt technológia a repülőgépiparban és a repülőgépiparban a 3D nyomtatásban.
Az űranyagokban rejlő lehetőségek
A repülőgépipar új anyagokat vizsgál a 3D nyomtatás segítségével, és olyan innovatív alternatívákat javasol, amelyek felforgathatják a piacot. Míg a titán, az alumínium és a nikkel-króm ötvözetek mindig is a középpontban álltak, hamarosan egy új anyag kerülhet a figyelem középpontjába: a holdregolit. A holdregolit egy porréteg, amely a Holdat borítja, és az ESA bemutatta a 3D nyomtatással való kombinálásának előnyeit. Advenit Makaya, az ESA vezető gyártásmérnöke a holdregolitot a betonhoz hasonló anyagként írja le, amely elsősorban szilíciumból és más kémiai elemekből, például vasból, magnéziumból, alumíniumból és oxigénből áll. Az ESA a Lithoz-szal együttműködve olyan kis funkcionális alkatrészeket gyárt, mint például csavarok és fogaskerekek, szimulált holdregolit felhasználásával, amelynek tulajdonságai hasonlóak a valódi holdporhoz.
A holdregolit gyártási folyamatainak nagy része hőt használ, így kompatibilis olyan technológiákkal, mint az SLS és a porkötéses nyomtatási megoldások. Az ESA a D-Shape technológiát is alkalmazza azzal a céllal, hogy szilárd alkatrészeket állítson elő magnézium-klorid és más anyagok keverésével, majd a szimulált mintában található magnézium-oxiddal kombinálva. Ennek a holdanyagnak az egyik jelentős előnye a finomabb nyomtatási felbontás, amely lehetővé teszi az alkatrészek legnagyobb pontosságú előállítását. Ez a tulajdonság elsődleges előnyt jelenthet a jövőbeli holdbázisok alkalmazási körének és gyártási alkatrészeinek bővítésében.
A holdregolit mindenhol jelen van
Létezik a marsi regolit is, amely a Marson található felszín alatti anyagra utal. Jelenleg a nemzetközi űrügynökségek nem tudják kinyerni ezt az anyagot, de ez nem akadályozta meg a tudósokat abban, hogy kutassák a benne rejlő lehetőségeket bizonyos űrrepülési projektekben. A kutatók ennek az anyagnak a szimulált mintáit használják, és titánötvözettel kombinálják szerszámok vagy rakétaalkatrészek előállításához. A kezdeti eredmények azt mutatják, hogy ez az anyag nagyobb szilárdságot biztosít, és megvédi a berendezéseket a rozsdásodástól és a sugárzás okozta károktól. Bár ez a két anyag hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, a holdi regolit továbbra is a leggyakrabban tesztelt anyag. További előny, hogy ezek az anyagok a helyszínen is gyárthatók anélkül, hogy a nyersanyagokat a Földről kellene szállítani. Ezenkívül a regolit kimeríthetetlen anyagforrás, ami segít megelőzni a szűkösséget.
A 3D nyomtatási technológia alkalmazásai a repülőgépiparban
A 3D nyomtatási technológia repülőgépiparban történő alkalmazásai az alkalmazott konkrét eljárástól függően változhatnak. Például a lézeres porbefúvás (L-PBF) segítségével bonyolult, rövid távú alkatrészeket lehet gyártani, például szerszámrendszereket vagy űralkatrészeket. A kaliforniai székhelyű Launcher startup a Velo3D zafírfém 3D nyomtatási technológiáját használta az E-2 folyékony rakétahajtóművének fejlesztéséhez. A gyártó eljárását használták az indukciós turbina létrehozásához, amely kulcsszerepet játszik a LOX (folyékony oxigén) gyorsításában és az égéstérbe juttatásában. A turbinát és az érzékelőt egyaránt 3D nyomtatási technológiával nyomtatták ki, majd szerelték össze. Ez az innovatív alkatrész nagyobb folyadékáramlást és nagyobb tolóerőt biztosít a rakétának, így a hajtómű elengedhetetlen részévé válik.
A Velo3D hozzájárult a PBF technológia alkalmazásához az E-2 folyékony halmazállapotú rakétahajtómű gyártásában.
Az additív gyártás széles körben alkalmazható, beleértve a kis és nagy szerkezetek gyártását is. Például a 3D nyomtatási technológiák, mint például a Relativity Space Stargate megoldása, nagyméretű alkatrészek, például rakéta-üzemanyagtartályok és propellerlapátok gyártására használhatók. A Relativity Space ezt a Terran 1, egy szinte teljes egészében 3D nyomtatással készült rakéta, beleértve egy több méter hosszú üzemanyagtartályt is, sikeres gyártásával bizonyította. Az első, 2023. március 23-i indítása demonstrálta az additív gyártási folyamatok hatékonyságát és megbízhatóságát.
Az extrudáláson alapuló 3D nyomtatási technológia lehetővé teszi alkatrészek gyártását nagy teljesítményű anyagok, például PEEK felhasználásával. Az ebből a hőre lágyuló műanyagból készült alkatrészeket már tesztelték az űrben, és az Egyesült Arab Emírségek holdutazásának részeként a Rashid roverre is helyezték őket. A teszt célja a PEEK szélsőséges holdkörülményekkel szembeni ellenállásának értékelése volt. Siker esetén a PEEK képes lehet fém alkatrészek helyettesítésére olyan helyzetekben, ahol a fém alkatrészek eltörnek, vagy az anyagok szűkösen állnak rendelkezésre. Ezenkívül a PEEK könnyű súlya értékes lehet az űrkutatásban.
A 3D nyomtatási technológia felhasználható különféle alkatrészek gyártására a repülőgépipar számára.
A 3D nyomtatás előnyei a repülőgépiparban
A 3D nyomtatás előnyei a repülőgépiparban magukban foglalják az alkatrészek jobb végső megjelenését a hagyományos gyártási technikákhoz képest. Johannes Homa, az osztrák 3D nyomtatógyártó Lithoz vezérigazgatója kijelentette, hogy "ez a technológia könnyebbé teszi az alkatrészeket". A tervezési szabadságnak köszönhetően a 3D nyomtatott termékek hatékonyabbak és kevesebb erőforrást igényelnek. Ez pozitív hatással van az alkatrészgyártás környezeti hatására. A Relativity Space bebizonyította, hogy az additív gyártás jelentősen csökkentheti az űrhajók gyártásához szükséges alkatrészek számát. A Terran 1 rakéta esetében 100 alkatrészt takarítottak meg. Ezenkívül ez a technológia jelentős előnyökkel jár a gyártási sebesség tekintetében, mivel a rakéta kevesebb mint 60 nap alatt elkészül. Ezzel szemben egy rakéta gyártása hagyományos módszerekkel több évig is eltarthat.
Az erőforrás-gazdálkodás tekintetében a 3D nyomtatás anyagokat takaríthat meg, és bizonyos esetekben akár a hulladék újrahasznosítását is lehetővé teheti. Végül az additív gyártás értékes eszközzé válhat a rakéták felszállósúlyának csökkentésében. A cél a helyi anyagok, például a regolit felhasználásának maximalizálása, valamint az anyagok űrhajókon belüli szállításának minimalizálása. Ez lehetővé teszi, hogy csak egy 3D nyomtatót vigyenek magukkal, amely az utazás után mindent a helyszínen elkészíthet.
A Made in Space már elküldte az egyik 3D-nyomtatóját tesztelésre az űrbe.
A 3D nyomtatás korlátai az űrben
Bár a 3D nyomtatásnak számos előnye van, a technológia még mindig viszonylag új, és korlátai vannak. Advenit Makaya kijelentette: „Az additív gyártás egyik fő problémája a repülőgépiparban a folyamatirányítás és a validálás.” A gyártók beléphetnek a laboratóriumba, és ellenőrizhetik az egyes alkatrészek szilárdságát, megbízhatóságát és mikroszerkezetét a validálás előtt, ezt a folyamatot roncsolásmentes vizsgálatnak (NDT) nevezik. Ez azonban időigényes és költséges is lehet, ezért a végső cél az ilyen vizsgálatok szükségességének csökkentése. A NASA nemrégiben létrehozott egy központot a probléma megoldására, amely az additív gyártással gyártott fém alkatrészek gyors tanúsítására összpontosít. A központ célja, hogy digitális ikrek segítségével fejlessze a termékek számítógépes modelljeit, ami segít a mérnököknek jobban megérteni az alkatrészek teljesítményét és korlátait, beleértve azt is, hogy mekkora nyomást bírnak ki törés előtt. A központ ezzel reméli, hogy elősegíti a 3D nyomtatás alkalmazását a repülőgépiparban, hatékonyabbá téve azt a hagyományos gyártási technikákkal szembeni versenyben.
Ezek az alkatrészek átfogó megbízhatósági és szilárdsági tesztelésen estek át.
Másrészről az ellenőrzési folyamat más, ha a gyártás az űrben történik. Az ESA munkatársa, Advenit Makaya elmagyarázza: „Létezik egy technika, amely magában foglalja az alkatrészek nyomtatás közbeni elemzését.” Ez a módszer segít meghatározni, hogy mely nyomtatott termékek alkalmasak és melyek nem. Ezenkívül létezik egy önkorrekciós rendszer az űrbe szánt 3D nyomtatókhoz, amelyet fémmegmunkáló gépeken tesztelnek. Ez a rendszer képes azonosítani a gyártási folyamatban előforduló lehetséges hibákat, és automatikusan módosítja paramétereit az alkatrész hibáinak kijavítása érdekében. Ez a két rendszer várhatóan javítja a nyomtatott termékek megbízhatóságát az űrben.
A 3D nyomtatási megoldások validálására a NASA és az ESA szabványokat dolgozott ki. Ezek a szabványok egy sor tesztet tartalmaznak az alkatrészek megbízhatóságának meghatározására. Figyelembe veszik a porágyas fúziós technológiát, és más folyamatokhoz is frissítik azokat. Az anyagipar számos jelentős szereplője, mint például az Arkema, a BASF, a Dupont és a Sabic, szintén biztosítja ezt a nyomon követhetőséget.
Az űrben élni?
A 3D nyomtatási technológia fejlődésével számos sikeres projektet láttunk a Földön, amelyek ezt a technológiát használják házak építésére. Ez felveti a kérdést, hogy vajon ezt a folyamatot a közeli vagy távoli jövőben felhasználhatják-e lakható építmények építésére az űrben. Bár az űrben való élet jelenleg irreális, a házak építése, különösen a Holdon, előnyös lehet az űrhajósok számára az űrküldetések végrehajtása során. Az Európai Űrügynökség (ESA) célja, hogy kupolákat építsen a Holdon holdregolit felhasználásával, amelyből falak vagy téglák építhetők az űrhajósok sugárzás elleni védelmére. Az ESA munkatársa, Advenit Makaya szerint a holdregolit körülbelül 60%-ban fémből és 40%-ban oxigénből áll, és elengedhetetlen anyag az űrhajósok túléléséhez, mivel végtelen oxigénforrást biztosíthat, ha kivonják ebből az anyagból.
A NASA 57,2 millió dolláros támogatást ítélt oda az ICON-nak egy 3D nyomtatási rendszer fejlesztésére, amellyel építményeket lehetne építeni a Hold felszínén, és együttműködik a céggel egy Mars Dune Alpha élőhely létrehozásában is. A cél a Marson való életkörülmények tesztelése azáltal, hogy önkéntesek egy évig egy élőhelyen élnek, szimulálva a Vörös Bolygó körülményeit. Ezek az erőfeszítések kritikus lépéseket jelentenek a Holdon és a Marson közvetlenül megépíthető 3D nyomtatott építmények felé, ami végül utat nyithat az emberi űrkolonizációnak.
A távoli jövőben ezek a házak lehetővé tehetik az élet fennmaradását az űrben.
Közzététel ideje: 2023. június 14.
