Frá 20. öld hefur mannkynið verið heillað af því að kanna geiminn og skilja hvað býr handan jarðar. Stórar stofnanir eins og NASA og ESA hafa verið í fararbroddi geimkönnunar og annar mikilvægur þátttakandi í þessum sigri er þrívíddarprentun. Með getu til að framleiða flókna hluti hratt á lágum kostnaði er þessi hönnunartækni að verða sífellt vinsælli hjá fyrirtækjum. Hún gerir kleift að skapa marga notkunarmöguleika, svo sem gervihnetti, geimbúninga og eldflaugaíhluti. Samkvæmt SmarTech er gert ráð fyrir að markaðsvirði einkarekinnar viðbótarframleiðslu í geimferðaiðnaði muni ná 2,1 milljarði evra árið 2026. Þetta vekur upp spurninguna: Hvernig getur þrívíddarprentun hjálpað mönnum að skara fram úr í geimnum?
Í upphafi var þrívíddarprentun aðallega notuð til hraðframleiðslu frumgerða í læknisfræði, bílaiðnaði og geimferðaiðnaði. Hins vegar, eftir því sem tæknin hefur orðið útbreiddari, er hún í auknum mæli notuð fyrir lokaframleiðslu íhluta. Tækni til viðbótarframleiðslu á málmum, sérstaklega L-PBF, hefur gert kleift að framleiða fjölbreytt úrval málma með eiginleikum og endingu sem henta fyrir erfiðar geimaðstæður. Aðrar þrívíddarprentunartækni, svo sem DED, bindiefnisþrýstikerfi og útdráttarferli, eru einnig notaðar við framleiðslu á geimferðaíhlutum. Á undanförnum árum hafa nýjar viðskiptamódel komið fram, þar sem fyrirtæki eins og Made in Space og Relativity Space nota þrívíddarprentunartækni til að hanna geimferðaíhluti.
Relativity Space þróar þrívíddarprentara fyrir geimferðaiðnaðinn
3D prentunartækni í geimferðum
Nú þegar við höfum kynnt þær, skulum við skoða nánar ýmsar þrívíddarprentunartækni sem notaðar eru í flug- og geimferðaiðnaðinum. Í fyrsta lagi skal tekið fram að aukefnisframleiðsla málma, sérstaklega L-PBF, er sú sem mest er notuð á þessu sviði. Þetta ferli felur í sér að nota leysigeislaorku til að bræða saman málmduft lag fyrir lag. Það er sérstaklega hentugt til að framleiða litla, flókna, nákvæma og sérsniðna hluti. Flug- og geimframleiðendur geta einnig notið góðs af aukefnisframleiðslu (DED), sem felur í sér að setja málmvír eða duft á og er aðallega notað til að gera við, húða eða framleiða sérsniðna málm- eða keramikhluta.
Hins vegar hentar bindiefnisþrýstitækni, þótt hún sé kostur hvað varðar framleiðsluhraða og lágan kostnað, ekki til að framleiða afkastamikla vélræna hluti þar sem hún krefst styrkingarskrefa eftirvinnslu sem eykur framleiðslutíma lokaafurðarinnar. Útpressunartækni er einnig áhrifarík í geimnum. Það skal tekið fram að ekki eru allar fjölliður hentugar til notkunar í geimnum, en afkastamiklar plasttegundir eins og PEEK geta komið í stað sumra málmhluta vegna styrks þeirra. Hins vegar er þessi þrívíddarprentunaraðferð enn ekki mjög útbreidd, en hún getur orðið verðmæt eign fyrir geimkönnun með því að nota ný efni.
Laserduftbeðsbræðsla (L-PBF) er útbreidd tækni í þrívíddarprentun fyrir geimferðir.
Möguleikar geimefna
Flug- og geimferðaiðnaðurinn hefur verið að kanna ný efni með þrívíddarprentun og lagt til nýjar leiðir sem gætu raskað markaðnum. Þótt málmar eins og títan, ál og nikkel-króm málmblöndur hafi alltaf verið í aðaláherslunni gæti nýtt efni brátt stolið sviðsljósinu: tunglregolít. Tunglregolít er ryklag sem þekur tunglið og ESA hefur sýnt fram á kosti þess að sameina það við þrívíddarprentun. Advenit Makaya, yfirverkfræðingur í framleiðslu hjá ESA, lýsir tunglregolít sem svipuðu og steypu, aðallega úr kísil og öðrum efnafræðilegum frumefnum eins og járni, magnesíum, áli og súrefni. ESA hefur tekið höndum saman við Lithoz til að framleiða litla virka hluti eins og skrúfur og gíra með því að nota hermt tunglregolít með svipaða eiginleika og raunverulegt tunglryk.
Flest ferli sem tengjast framleiðslu á tunglregoliti nota hita, sem gerir það samhæft við tækni eins og SLS og duftlímingarprentunarlausnir. ESA notar einnig D-Shape tækni með það að markmiði að framleiða fasta hluti með því að blanda magnesíumklóríði við efni og sameina það magnesíumoxíði sem finnst í hermdu sýninu. Einn af mikilvægustu kostum þessa tunglefnis er fínni prentupplausn þess, sem gerir það kleift að framleiða hluti með mestu nákvæmni. Þessi eiginleiki gæti orðið aðalkosturinn við að auka notkunarsvið og framleiðslu íhluta fyrir framtíðar tunglstöðvar.
Tunglrególith er alls staðar
Einnig er til rególít frá Mars, sem vísar til efnis sem fannst neðanjarðar á Mars. Alþjóðlegu geimferðastofnanir geta ekki endurheimt þetta efni eins og er, en það hefur ekki komið í veg fyrir að vísindamenn rannsaki möguleika þess í ákveðnum geimferðaverkefnum. Rannsakendur nota hermd sýni af þessu efni og sameina það títanblöndu til að framleiða verkfæri eða eldflaugaíhluti. Fyrstu niðurstöður benda til þess að þetta efni muni veita meiri styrk og vernda búnað gegn ryði og geislunarskemmdum. Þó að þessi tvö efni hafi svipaða eiginleika er rególít enn það efni sem hefur mest prófað. Annar kostur er að hægt er að framleiða þessi efni á staðnum án þess að þurfa að flytja hráefni frá jörðinni. Að auki er rególít óþrjótandi efnisgjafi, sem hjálpar til við að koma í veg fyrir skort.
Notkun 3D prentunartækni í geimferðaiðnaðinum
Notkun þrívíddarprentunartækni í geimferðaiðnaðinum getur verið mismunandi eftir því hvaða ferli er notað. Til dæmis er hægt að nota leysigeisladuftsrúmsbræðingu (L-PBF) til að framleiða flókna skammtímahluta, svo sem verkfærakerfi eða varahluti í geiminn. Launcher, sprotafyrirtæki með aðsetur í Kaliforníu, notaði safírmálmþrívíddarprentunartækni Velo3D til að bæta E-2 fljótandi eldflaugarhreyfil sinn. Ferli framleiðandans var notað til að búa til spantúrbínu, sem gegnir lykilhlutverki í að flýta fyrir og knýja fljótandi súrefni (LOX) inn í brunahólfið. Túrbínan og skynjarinn voru prentaðir með þrívíddarprentunartækni og síðan settir saman. Þessi nýstárlegi íhlutur veitir eldflauginni meiri vökvaflæði og meiri kraft, sem gerir hana að nauðsynlegum hluta vélarinnar.
Velo3D lagði sitt af mörkum við notkun PBF tækni við framleiðslu á E-2 fljótandi eldflaugahreyflinum.
Aukefnisframleiðsla hefur víðtæk notkunarsvið, þar á meðal framleiðslu á litlum og stórum mannvirkjum. Til dæmis er hægt að nota þrívíddarprentunartækni eins og Stargate-lausn Relativity Space til að framleiða stóra hluti eins og eldsneytistanka eldflaugar og skrúfublöð. Relativity Space hefur sannað þetta með farsælli framleiðslu á Terran 1, eldflaug sem er næstum eingöngu þrívíddarprentuð, þar á meðal nokkurra metra langur eldsneytistankur. Fyrsta geimskot hennar 23. mars 2023 sýndi fram á skilvirkni og áreiðanleika aukefnisframleiðsluferla.
Þrívíddarprentunartækni byggð á útdrátt gerir einnig kleift að framleiða hluti úr hágæða efnum eins og PEEK. Íhlutir úr þessu hitaplasti hafa þegar verið prófaðir í geimnum og voru settir í Rashid-jeppann sem hluta af tunglferð til Sameinuðu arabísku furstadæmanna. Tilgangur þessarar prófunar var að meta viðnám PEEK við öfgakenndar tunglaaðstæður. Ef það tekst gæti PEEK hugsanlega komið í stað málmhluta í aðstæðum þar sem málmhlutar brotna eða efni eru af skornum skammti. Að auki gætu léttleiki PEEK verið verðmæti í geimkönnun.
Þrívíddar prenttækni er hægt að nota til að framleiða ýmsa hluti fyrir flug- og geimferðaiðnaðinn.
Kostir þrívíddarprentunar í geimferðaiðnaðinum
Kostir þrívíddarprentunar í geimferðaiðnaðinum eru meðal annars bætt útlit hluta samanborið við hefðbundnar smíðaaðferðir. Johannes Homa, forstjóri austurríska þrívíddarprentaraframleiðandans Lithoz, sagði að „þessi tækni geri hlutina léttari.“ Vegna hönnunarfrelsis eru þrívíddarprentaðar vörur skilvirkari og þurfa minni úrræði. Þetta hefur jákvæð áhrif á umhverfisáhrif framleiðslu hluta. Relativity 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 spöruð. Að auki hefur þessi tækni verulega kosti í framleiðsluhraða, þar sem eldflaugin er kláruð á innan við 60 dögum. Aftur á móti gæti framleiðsla eldflaugar með hefðbundnum aðferðum tekið nokkur ár.
Hvað varðar auðlindastjórnun getur þrívíddarprentun sparað efni og í sumum tilfellum jafnvel gert kleift að endurvinna úrgang. Að lokum getur aukefnisframleiðsla orðið verðmæt auðlind til að draga úr flugtaksþyngd eldflauga. Markmiðið er að hámarka notkun staðbundinna efna, svo sem rególíts, og lágmarka flutning efna innan geimfara. Þetta gerir það mögulegt að hafa aðeins þrívíddarprentara meðferðis, sem getur búið til allt á staðnum eftir ferðina.
Made in Space hefur þegar sent einn af þrívíddarprenturum sínum út í geim til prófana.
Takmarkanir þrívíddarprentunar í geimnum
Þótt þrívíddarprentun hafi marga kosti er tæknin enn tiltölulega ný og hefur takmarkanir. Advenit Makaya sagði: „Eitt helsta vandamálið með viðbótarframleiðslu í flug- og geimferðaiðnaðinum er ferlisstjórnun og staðfesting.“ Framleiðendur geta farið inn í rannsóknarstofuna og prófað styrk, áreiðanleika og örbyggingu hvers hlutar fyrir staðfestingu, ferli sem kallast óeyðileggjandi prófanir (NDT). Hins vegar getur þetta verið bæði tímafrekt og dýrt, þannig að lokamarkmiðið er að draga úr þörfinni fyrir þessar prófanir. NASA stofnaði nýlega miðstöð til að takast á við þetta mál, sem einbeitir sér að hraðri vottun málmhluta sem framleiddir eru með viðbótarframleiðslu. Miðstöðin miðar að því að nota stafræna tvíbura til að bæta tölvulíkön af vörum, sem mun hjálpa verkfræðingum að skilja betur afköst og takmarkanir hluta, þar á meðal hversu mikinn þrýsting þeir þola áður en þeir brotna. Með því að gera það vonast miðstöðin til að stuðla að notkun þrívíddarprentunar í flug- og geimferðaiðnaðinum og gera hana skilvirkari í samkeppni við hefðbundnar framleiðsluaðferðir.
Þessir íhlutir hafa gengist undir ítarlegar áreiðanleika- og styrkprófanir.
Hins vegar er staðfestingarferlið öðruvísi ef framleiðslan 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 til sjálfleiðréttingarkerfi fyrir 3D prentara sem ætlaðir eru fyrir geiminn og er verið að prófa á málmvélum. Þetta kerfi getur greint hugsanlegar villur í framleiðsluferlinu og breytt sjálfkrafa breytum þess til að leiðrétta galla í hlutanum. Þessi tvö kerfi eru talin bæta áreiðanleika prentaðra vara í geimnum.
Til að sannreyna lausnir fyrir þrívíddarprentun hafa NASA og ESA sett staðla. Þessir staðlar innihalda röð prófana til að ákvarða áreiðanleika íhluta. Þeir taka tillit til duftbeðsbræðingartækni og eru að uppfæra þær fyrir önnur ferli. Hins vegar bjóða margir stórir aðilar í efnisiðnaðinum, eins og Arkema, BASF, Dupont og Sabic, einnig upp á þessa rekjanleika.
Að búa í geimnum?
Með framþróun 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 þessi aðferð verði notuð í náinni eða fjarlægri framtíð til að reisa íbúðarhæf mannvirki í geimnum. Þó að það sé óraunhæft að búa í geimnum eins og er, getur það að byggja hús, sérstaklega á tunglinu, verið gagnlegt fyrir geimfara við geimferðir. Markmið Evrópsku geimvísindastofnunarinnar (ESA) er að byggja hvelfingar á tunglinu úr tunglregoliti, sem hægt er að nota til að byggja veggi eða múrsteina til að vernda geimfara fyrir geislun. Samkvæmt Advenit Makaya frá ESA er tunglregoliti samsettur úr um 60% málmi og 40% súrefni og er nauðsynlegt efni fyrir lifun geimfara þar sem það getur veitt endalausa súrefnisuppsprettu ef það er unnið úr þessu efni.
NASA hefur veitt ICON 57,2 milljóna dala styrk til að þróa þrívíddarprentunarkerfi til að byggja mannvirki á yfirborði tunglsins og er einnig að vinna með fyrirtækinu að því 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 herma eftir aðstæðum á rauðu plánetunni. Þessi viðleitni er mikilvæg skref í átt að því að smíða þrívíddarprentaðar mannvirki beint á tunglinu og Mars, sem gæti að lokum rutt brautina fyrir nýlenduvæðingu manna í geimnum.
Í fjarlægri framtíð gætu þessi hús gert lífi kleift að lifa af í geimnum.
Birtingartími: 14. júní 2023
