Frá 20. öld hefur mannkynið verið heillað af því að kanna geiminn og skilja hvað er handan jarðar.Stór samtök eins og NASA og ESA hafa verið í fararbroddi í geimkönnun og annar mikilvægur aðili í þessari landvinninga er þrívíddarprentun.Með getu til að framleiða fljótt flókna hluta með litlum tilkostnaði er þessi hönnunartækni að verða sífellt vinsælli í fyrirtækjum.Það gerir sköpun margra forrita mögulega, svo sem gervihnöttum, geimbúningum og eldflaugahlutum.Reyndar, samkvæmt SmarTech, er gert ráð fyrir að markaðsvirði aukefnaframleiðslu einkageimiðnaðarins nái 2,1 milljarði evra árið 2026. Þetta vekur upp spurninguna: Hvernig getur þrívíddarprentun hjálpað mönnum að skara fram úr í geimnum?
Upphaflega var þrívíddarprentun aðallega notuð fyrir hraða frumgerð í lækninga-, bíla- og flugiðnaðinum.Hins vegar, eftir því sem tæknin hefur orðið útbreiddari, er hún notuð í auknum mæli fyrir endanlega íhluti.Málmaukefnaframleiðslutækni, sérstaklega L-PBF, hefur gert kleift að framleiða margs konar málma með eiginleika og endingu sem henta fyrir erfiðar aðstæður í rými.Önnur þrívíddarprentunartækni, eins og DED, bindiefnisútblástur og útpressunarferli, eru einnig notuð við framleiðslu á geimferðaíhlutum.Á undanförnum árum hafa ný viðskiptamódel litið dagsins ljós þar sem fyrirtæki eins og Made in Space og Relativity Space hafa notað þrívíddarprentunartækni til að hanna íhluti í geimferðarými.
Afstæðisfræði Space þróa 3D prentara fyrir geimferðaiðnað
3D prentunartækni í geimferðum
Nú þegar við höfum kynnt þær skulum við skoða nánar hina ýmsu þrívíddarprentunartækni sem notuð er í geimferðaiðnaðinum.Í fyrsta lagi skal tekið fram að málmaaukefnaframleiðsla, sérstaklega L-PBF, er mest notuð á þessu sviði.Þetta ferli felur í sér að nota leysiorku til að bræða saman málmduft lag fyrir lag.Það er sérstaklega hentugur til að framleiða litla, flókna, nákvæma og sérsniðna hluta.Aerospaceframleiðendur geta einnig notið góðs af DED, sem felur í sér að leggja málmvír eða duft og er aðallega notað til að gera við, húða eða framleiða sérsniðna málm- eða keramikhluta.
Aftur á móti hentar bindiefnisstraumur, þótt hagstæður hvað varðar framleiðsluhraða og lítinn kostnað, ekki til að framleiða afkastamikla vélræna hluta vegna þess að það krefst styrkingarþrepa eftir vinnslu sem eykur framleiðslutíma lokaafurðarinnar.Extrusion tækni er einnig áhrifarík í geimumhverfinu.Það skal tekið fram að ekki eru allar fjölliður hentugar til notkunar í geimnum, en afkastamikil plastefni eins og PEEK geta komið í stað suma málmhluta vegna styrkleika þeirra.Hins vegar er þetta þrívíddarprentunarferli enn ekki mjög útbreitt, en það getur orðið dýrmæt eign fyrir geimkönnun með því að nota ný efni.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) er mikið notuð tækni í þrívíddarprentun fyrir loftrými.
Möguleiki geimefna
Geimferðaiðnaðurinn hefur kannað ný efni í gegnum þrívíddarprentun og lagt til nýstárlega valkosti sem gætu truflað markaðinn.Þó að málmar eins og títan, ál og nikkel-króm málmblöndur hafi alltaf verið aðaláherslan, gæti nýtt efni brátt stolið sviðsljósinu: tunglrególít.Lunar regolith er ryklag sem hylur tunglið og ESA hefur sýnt fram á kosti þess að sameina það við þrívíddarprentun.Advenit Makaya, háttsettur framleiðsluverkfræðingur hjá ESA, lýsir tunglrególít eins og steinsteypu, aðallega úr sílikoni og öðrum efnafræðilegum frumefnum eins og járni, magnesíum, áli og súrefni.ESA hefur átt í samstarfi við Lithoz til að framleiða litla hagnýta hluta eins og skrúfur og gíra með því að nota herma tunglrególít með eiginleikum sem líkjast raunverulegu tunglryki.
Flest ferlarnir sem taka þátt í framleiðslu á tungl-regolith nýta hita, sem gerir það samhæft við tækni eins og SLS og duftbindandi prentunarlausnir.ESA notar einnig D-Shape tækni með það að markmiði að framleiða fasta hluta með því að blanda magnesíumklóríði við efni og sameina það við magnesíumoxíð sem er að finna í hermdu sýninu.Einn af mikilvægum kostum þessa tunglsefnis er fínni prentupplausn þess, sem gerir því kleift að framleiða hluta með mestu nákvæmni.Þessi eiginleiki gæti orðið aðal eignin í því að auka notkunarsviðið og framleiða íhluti fyrir tunglstöðvar í framtíðinni.
Lunar Regolith er alls staðar
Það er líka Mars-rególít, sem vísar til efnis undir yfirborði sem finnast á Mars.Eins og er geta alþjóðlegar geimvísindastofnanir ekki endurheimt þetta efni, en það hefur ekki hindrað vísindamenn í að rannsaka möguleika þess í ákveðnum geimferðaverkefnum.Vísindamenn nota eftirlíkingar af þessu efni og sameina það með títan ál til að framleiða verkfæri eða eldflaugaíhluti.Fyrstu niðurstöður benda til þess að þetta efni muni veita meiri styrk og vernda búnað gegn ryð- og geislaskemmdum.Þrátt fyrir að þessi tvö efni hafi svipaða eiginleika, er tunglrególít enn mest prófaða efnið.Annar kostur er að hægt er að framleiða þessi efni á staðnum án þess að þurfa að flytja hráefni frá jörðinni.Að auki er regolith ótæmandi efnisgjafi, sem hjálpar til við að koma í veg fyrir skort.
Notkun þrívíddarprentunartækni í geimferðaiðnaðinum
Notkun þrívíddarprentunartækni í geimferðaiðnaðinum getur verið mismunandi eftir því hvaða ferli er notað.Til dæmis er hægt að nota laser duft bed fusion (L-PBF) til að framleiða flókna skammtímahluta, svo sem verkfærakerfi eða geimvarahluti.Launcher, sprotafyrirtæki í Kaliforníu, notaði Velo3D safír-málm 3D prentunartækni til að bæta E-2 fljótandi eldflaugavél sína.Aðferð framleiðandans var notuð til að búa til innleiðsluhverflinn, sem gegnir mikilvægu hlutverki við að hraða og keyra LOX (fljótandi súrefni) inn í brunahólfið.Hverflin og skynjarinn voru prentaðir með þrívíddarprentunartækni og síðan settir saman.Þessi nýstárlega íhlutur veitir eldflauginni meira vökvaflæði og meiri þrýsting, sem gerir hana að ómissandi hluta vélarinnar
Velo3D stuðlaði að notkun PBF tækni við framleiðslu á E-2 fljótandi eldflaugamótor.
Aukaframleiðsla hefur víðtæka notkun, þar á meðal framleiðslu á litlum og stórum mannvirkjum.Til dæmis er hægt að nota þrívíddarprentunartækni eins og Stargate lausnina frá Relativity Space til að framleiða stóra hluti eins og eldsneytistanka fyrir eldflauga og skrúfublöð.Afstæðisfræði Space hefur sannað þetta með farsælli framleiðslu á Terran 1, næstum algjörlega þrívíddarprentaðri eldflaug, þar á meðal nokkurra metra langan eldsneytistank.Fyrsta kynning þess 23. mars 2023 sýndi fram á skilvirkni og áreiðanleika aukefnaframleiðsluferla.
Þrívíddarprentunartækni sem byggir á útpressu gerir einnig kleift að framleiða hluta með hágæða efni eins og PEEK.Íhlutir úr þessu hitaplasti hafa þegar verið prófaðir í geimnum og voru settir á Rashid flakkarann sem hluti af tunglleiðangri Sameinuðu arabísku furstadæmanna.Tilgangur þessarar prófunar var að meta viðnám PEEK gegn erfiðum tunglskilyrðum.Ef vel tekst til gæti PEEK verið fær um að skipta um málmhluti í aðstæðum þar sem málmhlutir brotna eða efni eru af skornum skammti.Að auki geta léttir eiginleikar PEEK verið mikilvægir í geimkönnun.
3D prentunartækni er hægt að nota til að framleiða margs konar hluta fyrir geimferðaiðnaðinn.
Kostir þrívíddarprentunar í geimferðaiðnaðinum
Kostir þrívíddarprentunar í geimferðaiðnaði eru meðal annars bætt endanlegt útlit hluta samanborið við hefðbundna byggingartækni.Johannes Homa, forstjóri austurríska 3D prentaraframleiðandans Lithoz, sagði að "þessi tækni geri hluta léttari."Vegna hönnunarfrelsis eru þrívíddarprentaðar vörur skilvirkari og krefjast minna fjármagns.Þetta hefur jákvæð áhrif á umhverfisáhrif hlutaframleiðslu.Afstæðishyggja Space hefur sýnt fram á að aukefnaframleiðsla getur dregið verulega úr fjölda íhluta sem þarf til að framleiða geimfar.Fyrir Terran 1 eldflaugina voru 100 hlutar vistaðir.Að auki hefur þessi tækni umtalsverða kosti í framleiðsluhraða, þar sem eldflauginni er lokið á innan við 60 dögum.Aftur á móti gæti það tekið nokkur ár að framleiða eldflaug með hefðbundnum aðferðum.
Varðandi auðlindastjórnun getur þrívíddarprentun sparað efni og í sumum tilfellum jafnvel gert ráð fyrir endurvinnslu úrgangs.Að lokum getur framleiðsla aukefna orðið dýrmæt eign til að draga úr flugtaksþyngd eldflauga.Markmiðið er að hámarka notkun staðbundinna efna, eins og rególít, og lágmarka flutning á efni innan geimfara.Þetta gerir það mögulegt að bera aðeins þrívíddarprentara, sem getur búið til allt á staðnum eftir ferðina.
Made in Space hefur þegar sent einn af þrívíddarprenturum þeirra út í geim til að prófa.
Takmarkanir þrívíddarprentunar í geimnum
Þrátt fyrir að þrívíddarprentun hafi marga kosti er tæknin enn tiltölulega ný og hefur takmarkanir.Advenit Makaya sagði: "Eitt helsta vandamálið við aukefnaframleiðslu í geimferðaiðnaðinum er ferlistýring og staðfesting."Framleiðendur geta farið inn í rannsóknarstofuna og prófað styrk, áreiðanleika og örbyggingu hvers hluta fyrir staðfestingu, ferli sem kallast non-destructive testing (NDT).Hins vegar getur þetta verið bæði tímafrekt og dýrt, svo lokamarkmiðið er að minnka þörfina á þessum prófum.NASA stofnaði nýlega miðstöð til að takast á við þetta mál, sem einbeitti sér að hraðri vottun málmhluta sem framleiddir eru með aukefnaframleiðslu.Miðstöðin miðar að því að nota stafræna tvíbura til að bæta tölvulíkön af vörum, sem mun hjálpa verkfræðingum að skilja betur frammistöðu og takmarkanir hluta, þar á meðal hversu mikinn þrýsting þeir þola fyrir brot.Með því vonast miðstöðin til að stuðla að beitingu þrívíddarprentunar í geimferðaiðnaðinum, sem gerir það skilvirkara í samkeppni við hefðbundna framleiðslutækni.
Þessir íhlutir hafa gengist undir alhliða áreiðanleika- og styrkleikaprófun.
Á hinn bóginn er sannprófunarferlið öðruvísi ef framleiðsla fer fram í geimnum.Advenit Makaya hjá ESA útskýrir: "Það er til tækni sem felur í sér að greina hlutana við prentun."Þessi aðferð hjálpar til við að ákvarða hvaða prentaðar vörur henta og hverjar ekki.Að auki er sjálfleiðréttingarkerfi fyrir þrívíddarprentara ætlað fyrir pláss og verið er að prófa það á málmvélum.Þetta kerfi getur greint hugsanlegar villur í framleiðsluferlinu og sjálfkrafa breytt breytum þess til að leiðrétta galla í hlutanum.Búist er við að þessi tvö kerfi auki áreiðanleika prentaðra vara í geimnum.
Til að sannreyna þrívíddarprentunarlausnir hafa NASA og ESA sett staðla.Þessir staðlar innihalda röð prófana til að ákvarða áreiðanleika hluta.Þeir íhuga duft bed fusion tækni og eru að uppfæra þá fyrir aðra ferla.Hins vegar veita margir stórir aðilar í efnisiðnaðinum, eins og Arkema, BASF, Dupont og Sabic, þennan rekjanleika.
Að búa í geimnum?
Með framförum í þrívíddarprentunartækni höfum við séð mörg vel heppnuð verkefni á jörðinni sem nota þessa tækni til að byggja hús.Þetta fær okkur til að velta fyrir okkur hvort þetta ferli gæti verið notað í náinni eða fjarlægri framtíð til að reisa byggileg mannvirki í geimnum.Þó að búa í geimnum sé óraunhæft eins og er, getur það verið gagnlegt fyrir geimfara að byggja hús, sérstaklega á tunglinu, í geimferðum.Markmið Evrópsku geimferðastofnunarinnar (ESA) er að byggja hvelfingar á tunglinu með því að nota tunglið, sem hægt er að nota til að reisa veggi eða múrsteina til að vernda geimfara gegn geislun.Samkvæmt Advenit Makaya frá ESA er tunglrególít samsett úr um 60% málmi og 40% súrefni og er nauðsynlegt efni til að lifa af geimfara vegna þess að það getur veitt endalausa súrefnisgjafa ef það er unnið úr þessu efni.
NASA hefur veitt ICON 57,2 milljón dollara styrk til að þróa þrívíddarprentunarkerfi til að byggja mannvirki á tunglyfirborðinu og er einnig í samstarfi við fyrirtækið til að búa til Mars Dune Alpha búsvæði.Markmiðið er að prófa lífsskilyrði á Mars með því að láta sjálfboðaliða búa í búsvæði í eitt ár og líkja eftir aðstæðum á rauðu plánetunni.Þessar viðleitni tákna mikilvæg skref í átt að því að smíða beint þrívíddarprentað mannvirki á tunglinu og Mars, sem gæti að lokum rutt brautina fyrir landnám mannsins í geimnum.
Í fjarlægri framtíð gætu þessi hús gert lífinu kleift að lifa af í geimnum.
Pósttími: 14-jún-2023