Az emberi fajt a 20. század óta lenyűgözi az űr felfedezése és annak megértése, hogy mi van a Földön túl.Az olyan nagy szervezetek, mint a NASA és az ESA, élen jártak az űrkutatásban, és ennek a hódításnak egy másik fontos szereplője a 3D nyomtatás.Az összetett alkatrészek gyors és alacsony költségű gyártásának képességével ez a tervezési technológia egyre népszerűbb a vállalatok körében.Számos alkalmazás létrehozását teszi lehetővé, például műholdak, szkafanderek és rakétaalkatrészek létrehozását.Valójában a SmarTech szerint a privát űripari adalékgyártás piaci értéke 2026-ra várhatóan eléri a 2,1 milliárd eurót. Ez felveti a kérdést: Hogyan segítheti a 3D nyomtatás az embereket az űrben való kitűnéshez?
Kezdetben a 3D nyomtatást főként gyors prototípus-készítésre használták az orvosi, autó- és repülőgépiparban.A technológia elterjedésével azonban egyre gyakrabban használják végső célú alkatrészekhez.A fémadalékos gyártástechnológia, különösen az L-PBF, lehetővé tette különféle fémek előállítását, amelyek jellemzői és tartóssága megfelel az extrém helyviszonyoknak.Más 3D nyomtatási technológiákat, például a DED-t, a kötőanyag-sugárzást és az extrudálási eljárást is alkalmazzák a repülőgép-alkatrészek gyártása során.Az elmúlt években új üzleti modellek jelentek meg, olyan cégek, mint a Made in Space és a Relativity Space, 3D nyomtatási technológiát használva repülőgép-alkatrészek tervezésére.
Relativity Space fejlesztő 3D nyomtató a repülőgépipar számára
3D nyomtatási technológia a repülésben
Most, hogy bemutattuk őket, nézzük meg közelebbről a repülőgépiparban használt különféle 3D nyomtatási technológiákat.Először is meg kell jegyezni, hogy a fémadalékok gyártása, különösen az L-PBF a legszélesebb körben alkalmazott ezen a területen.Ez a folyamat magában foglalja a lézerenergia felhasználását a fémpor rétegenkénti olvasztására.Különösen alkalmas kisméretű, összetett, precíz és egyedi alkatrészek gyártására.Az űrrepülőgép-gyártók is profitálhatnak a DED-ből, amely fémhuzal vagy -por felhordását foglalja magában, és főleg javításra, bevonásra vagy testreszabott fém- vagy kerámia alkatrészek gyártására használják.
Ezzel szemben a kötőanyag-fúvóka, bár előnyös a gyártási sebesség és az alacsony költség szempontjából, nem alkalmas nagy teljesítményű mechanikai alkatrészek előállítására, mert olyan utófeldolgozási erősítési lépéseket igényel, amelyek növelik a végtermék gyártási idejét.Az extrudálási technológia űrkörnyezetben is hatékony.Megjegyzendő, hogy nem minden polimer alkalmas űrben való használatra, de a nagy teljesítményű műanyagok, mint például a PEEK, szilárdságuk miatt helyettesíthetnek egyes fémalkatrészeket.Ez a 3D nyomtatási eljárás azonban még mindig nem túl elterjedt, de új anyagok felhasználásával értékes eszközzé válhat az űrkutatásban.
A Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) egy széles körben használt technológia az űrkutatásban használt 3D nyomtatásban.
Az űranyagok potenciálja
A repülőgépipar új anyagokat kutat a 3D nyomtatás révén, és olyan innovatív alternatívákat javasol, amelyek megzavarhatják a piacot.Míg a fémek, például a titán, az alumínium és a nikkel-króm ötvözetek mindig is a fő hangsúlyt kapták, hamarosan egy új anyag kerülhet a reflektorfénybe: a holdregolit.A Hold-regolit egy porréteg, amely a Holdat borítja, és az ESA bebizonyította, milyen előnyei vannak ennek a 3D nyomtatással való kombinálásának.Advenit Makaya, az ESA vezető gyártómérnöke a holdi regolitot a betonhoz hasonlónak írja le, amely elsősorban szilíciumból és egyéb kémiai elemekből, például vasból, magnéziumból, alumíniumból és oxigénből áll.Az ESA a Lithoz társult, hogy kis funkcionális alkatrészeket, például csavarokat és fogaskerekeket állítson elő szimulált holdregolit segítségével, amelyek tulajdonságai hasonlóak a valódi holdporhoz.
A holdregolit gyártásával kapcsolatos folyamatok többsége hőt használ, így kompatibilis az olyan technológiákkal, mint az SLS és a porkötős nyomtatási megoldások.Az ESA D-Shape technológiát is használ azzal a céllal, hogy szilárd részeket állítson elő magnézium-klorid anyagokkal való összekeverésével és a szimulált mintában található magnézium-oxiddal kombinálva.Ennek a holdanyagnak az egyik jelentős előnye a finomabb nyomtatási felbontás, amely lehetővé teszi a legnagyobb pontosságú alkatrészek előállítását.Ez a funkció az elsődleges eszközzé válhat a jövőbeni holdbázisok alkalmazási körének és gyártási összetevőinek bővítésében.
A Lunar Regolith mindenütt jelen van
Létezik marsi regolit is, ami a Marson talált felszín alatti anyagra utal.Jelenleg a nemzetközi űrügynökségek nem tudják visszanyerni ezt az anyagot, de ez nem akadályozta meg a tudósokat abban, hogy bizonyos repülési projektekben kutassák a benne rejlő lehetőségeket.A kutatók ebből az anyagból szimulált mintákat használnak, és titánötvözettel kombinálják szerszámok vagy rakétaalkatrészek előállításához.A kezdeti eredmények azt mutatják, hogy ez az anyag nagyobb szilárdságot biztosít, és megvédi a berendezést a rozsdásodástól és a sugárzástól.Noha ez a két anyag hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, még mindig a holdregolit a leginkább tesztelt anyag.További előnye, hogy ezek az anyagok a helyszínen előállíthatók anélkül, hogy alapanyagokat kellene szállítani a Földről.Emellett a regolit kimeríthetetlen anyagforrás, segít megelőzni a hiányt.
A 3D nyomtatási technológia alkalmazásai a repülőgépiparban
A 3D nyomtatási technológia alkalmazása a repülőgépiparban az alkalmazott folyamattól függően változhat.Például a lézerporágy-fúzió (L-PBF) felhasználható bonyolult rövid távú alkatrészek, például szerszámrendszerek vagy helypótlékok gyártására.A Launcher, egy kaliforniai székhelyű startup, a Velo3D zafír-fém 3D nyomtatási technológiáját használta az E-2 folyékony rakétahajtómű fejlesztésére.A gyártó eljárását alkalmazták az indukciós turbina létrehozásához, amely döntő szerepet játszik a LOX (folyékony oxigén) gyorsításában és az égéstérbe való behajtásában.A turbinát és az érzékelőt 3D nyomtatási technológiával nyomtatták ki, majd összeszerelték.Ez az innovatív alkatrész nagyobb folyadékáramlást és nagyobb tolóerőt biztosít a rakétának, így a hajtómű lényeges részévé válik
A Velo3D hozzájárult a PBF technológia használatához az E-2 folyékony rakétamotor gyártásában.
Az additív gyártás széles körben alkalmazható, beleértve a kis és nagy szerkezetek gyártását.Például a 3D nyomtatási technológiák, mint például a Relativity Space Stargate megoldása felhasználhatók nagy alkatrészek, például rakéta-üzemanyag-tartályok és légcsavarlapátok gyártására.A Relativity Space bebizonyította ezt a Terran 1 sikeres legyártásával, amely egy szinte teljes egészében 3D-nyomtatott rakéta, amely több méter hosszú üzemanyagtartállyal is rendelkezik.Az első, 2023. március 23-i bevezetés az additív gyártási folyamatok hatékonyságát és megbízhatóságát bizonyította.
Az extrudáláson alapuló 3D nyomtatási technológia lehetővé teszi az alkatrészek gyártását is olyan nagy teljesítményű anyagok felhasználásával, mint a PEEK.Az ebből a hőre lágyuló műanyagból készült alkatrészeket már tesztelték az űrben, és az Egyesült Arab Emírségek holdküldetésének részeként helyezték el a Rashid roveren.A teszt célja a PEEK extrém holdviszonyokkal szembeni ellenállásának értékelése volt.Sikeres esetben a PEEK képes lehet a fémalkatrészek cseréjére olyan helyzetekben, amikor a fémalkatrészek eltörnek, vagy kevés az anyag.Ezenkívül a PEEK könnyű tulajdonságai értékesek lehetnek az űrkutatásban.
A 3D nyomtatási technológia segítségével különféle alkatrészeket lehet gyártani a repülőgépipar számára.
A 3D nyomtatás előnyei a repülőgépiparban
A repülőgépiparban a 3D nyomtatás előnyei közé tartozik az alkatrészek jobb végső megjelenése a hagyományos építési 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 hatásaira.Relativitáselmélet A világűr bebizonyította, hogy az additív gyártás jelentősen csökkentheti az űrhajók gyártásához szükséges alkatrészek számát.A Terran 1 rakétához 100 alkatrészt sikerült megmenteni.Ezen túlmenően ennek a technológiának jelentős előnye van a gyártási sebességben, mivel a rakéta kevesebb mint 60 nap alatt készül el.Ezzel szemben egy rakéta hagyományos módszerekkel történő előállítása több évig is eltarthat.
Ami az erőforrás-gazdálkodást illeti, a 3D nyomtatás anyagokat takaríthat meg, és bizonyos esetekben akár a hulladékok újrahasznosítását is lehetővé teszi.Végül az additív gyártás értékes eszközzé válhat a rakéták felszálló tömegének csökkentésében.A cél az, hogy maximalizálják a helyi anyagok, például a regolit felhasználását, és minimalizálják az anyagok szállítását az űrhajókon belül.Ez lehetővé teszi, hogy csak egy 3D nyomtatót vigyünk magunkkal, amivel az utazás után mindent a helyszínen készíthetünk el.
A Made in Space már el is küldte tesztelésre az egyik 3D nyomtatójukat az űrbe.
A térben történő 3D nyomtatás korlátai
Bár a 3D nyomtatásnak számos előnye van, a technológia még viszonylag új, és vannak korlátai.Advenit Makaya kijelentette: "Az additív gyártás egyik fő problémája a repülőgépiparban a folyamatvezérlés és a validálás."A gyártók beléphetnek a laboratóriumba, és tesztelhetik az egyes alkatrészek szilárdságát, megbízhatóságát és mikroszerkezetét a validálás előtt, ezt a folyamatot roncsolásmentes tesztelésnek (NDT) nevezik.Ez azonban időigényes és költséges is lehet, ezért a végső cél az, hogy csökkentsük e vizsgálatok szükségességét.A NASA a közelmúltban létrehozott egy központot ennek a problémának a kezelésére, amely az additív gyártás során gyártott fém alkatrészek gyors tanúsítására összpontosított.A központ célja, hogy digitális ikreket használjon a termékek számítógépes modelljeinek fejlesztésére, ami segít a mérnököknek jobban megérteni az alkatrészek teljesítményét és korlátait, beleértve azt is, hogy mekkora nyomást tudnak ellenállni a törés előtt.Ezzel a központ azt reméli, hogy elősegíti a 3D nyomtatás alkalmazását a repülőgépiparban, hatékonyabbá téve a versenyt a hagyományos gyártási technikákkal.
Ezek az alkatrészek átfogó megbízhatósági és szilárdsági vizsgálaton estek át.
Másrészt az ellenőrzési folyamat más, ha a gyártás az űrben történik.Az ESA Advenit Makaya elmagyarázza: "Van egy technika, amely magában foglalja az alkatrészek elemzését a nyomtatás során."Ez a módszer segít meghatározni, hogy mely nyomtatott termékek alkalmasak és melyek nem.Ezen kívül létezik egy önkorrekciós rendszer az űrbe szánt 3D nyomtatókhoz, amelyet fémgépeken tesztelnek.Ez a rendszer képes azonosítani a lehetséges hibákat a gyártási folyamatban, és automatikusan módosítja a paramétereit, hogy kijavítsa az alkatrész esetleges hibáit.Ez a két rendszer várhatóan javítja a nyomtatott termékek megbízhatóságát az űrben.
A 3D nyomtatási megoldások validálására a NASA és az ESA szabványokat hozott létre.Ezek a szabványok egy sor tesztet tartalmaznak az alkatrészek megbízhatóságának meghatározására.Figyelembe veszik a porágyas fúziós technológiát, és frissítik azokat más folyamatokhoz.Azonban az anyagipar számos jelentős szereplője, mint például az Arkema, a BASF, a Dupont és a Sabic is biztosítja ezt a nyomon követhetőséget.
Az űrben élni?
A 3D nyomtatási technológia fejlődésével számos sikeres projektet láthattunk a Földön, amelyek ezt a technológiát használják házak építésére.Ez arra késztet bennünket, hogy vajon ezt a folyamatot a közeli vagy távoli jövőben felhasználják-e lakható struktúrák felépítésére az űrben.Bár az űrben élni jelenleg irreális, a házak építése, különösen a Holdon, előnyös lehet az űrhajósok számára az űrküldetések végrehajtása során.Az Európai Űrügynökség (ESA) célja, hogy a Holdon kupolákat építsen holdregolit felhasználásával, amelyek segítségével falakat vagy téglákat építhetnek az űrhajósok sugárzás elleni védelmére.Az ESA Advenit Makaya szerint a holdregolit körülbelül 60%-ban fémből és 40%-ban oxigénből áll, és elengedhetetlen anyag az űrhajósok túléléséhez, mert végtelen oxigénforrást biztosíthat, ha ebből az anyagból nyerik ki.
A NASA 57,2 millió dolláros támogatást ítélt oda az ICON-nak egy 3D nyomtatási rendszer kifejlesztésére a Hold felszínén lévő szerkezetek építéséhez, és együttműködik a céggel a Mars Dune Alpha élőhely létrehozásában.A cél az életkörülmények tesztelése a Marson úgy, hogy önkéntesek egy évig élnek egy élőhelyen, szimulálva a Vörös bolygó körülményeit.Ezek az erőfeszítések kritikus lépést jelentenek a Holdon és a Marson 3D nyomtatott struktúrák közvetlen felépítése felé, ami végül utat nyithat az emberi űrtelepülés felé.
A távoli jövőben ezek a házak lehetővé tehetik az élet fennmaradását az űrben.
Feladás időpontja: 2023. június 14