Od 20. vijeka, ljudska rasa je fascinirana istraživanjem svemira i razumijevanjem onoga što se nalazi izvan Zemlje. Velike organizacije poput NASA-e i ESA-e bile su u prvim redovima istraživanja svemira, a još jedan važan igrač u ovom osvajanju je 3D printanje. Sa mogućnošću brze proizvodnje složenih dijelova po niskim troškovima, ova tehnologija dizajna postaje sve popularnija u kompanijama. Omogućava stvaranje mnogih primjena, kao što su sateliti, svemirska odijela i komponente raketa. U stvari, prema SmarTechu, očekuje se da će tržišna vrijednost aditivne proizvodnje u privatnoj svemirskoj industriji dostići 2,1 milijardu eura do 2026. godine. Ovo postavlja pitanje: Kako 3D printanje može pomoći ljudima da se istaknu u svemiru?
U početku se 3D printanje uglavnom koristilo za brzu izradu prototipa u medicinskoj, automobilskoj i vazduhoplovnoj industriji. Međutim, kako je tehnologija postala rasprostranjenija, sve se više koristi za komponente finalne namjene. Tehnologija aditivne proizvodnje metala, posebno L-PBF, omogućila je proizvodnju raznih metala s karakteristikama i izdržljivošću pogodnim za ekstremne svemirske uvjete. Druge tehnologije 3D printanja, kao što su DED, mlazno nanošenje veziva i proces ekstruzije, također se koriste u proizvodnji vazduhoplovnih komponenti. Posljednjih godina pojavili su se novi poslovni modeli, a kompanije poput Made in Space i Relativity Space koriste tehnologiju 3D printanja za dizajniranje vazduhoplovnih komponenti.
Relativity Space razvija 3D printer za vazduhoplovnu industriju
Tehnologija 3D štampanja u vazduhoplovstvu
Sada kada smo ih predstavili, pogledajmo detaljnije različite tehnologije 3D printanja koje se koriste u zrakoplovnoj industriji. Prvo, treba napomenuti da je aditivna proizvodnja metala, posebno L-PBF, najšire korištena u ovoj oblasti. Ovaj proces uključuje korištenje laserske energije za fuziju metalnog praha sloj po sloj. Posebno je pogodan za proizvodnju malih, složenih, preciznih i prilagođenih dijelova. Proizvođači zrakoplovne industrije također mogu imati koristi od DED-a, koji uključuje nanošenje metalne žice ili praha i uglavnom se koristi za popravak, premazivanje ili proizvodnju prilagođenih metalnih ili keramičkih dijelova.
Nasuprot tome, mlazno štampanje vezivnim materijalom, iako povoljno u smislu brzine proizvodnje i niskih troškova, nije pogodno za proizvodnju visokoperformansnih mehaničkih dijelova jer zahtijeva korake naknadnog ojačavanja koji povećavaju vrijeme proizvodnje konačnog proizvoda. Tehnologija ekstruzije je također efikasna u svemirskom okruženju. Treba napomenuti da nisu svi polimeri pogodni za upotrebu u svemiru, ali visokoperformansne plastike poput PEEK-a mogu zamijeniti neke metalne dijelove zbog svoje čvrstoće. Međutim, ovaj 3D proces štampanja još uvijek nije jako rasprostranjen, ali može postati vrijedna prednost za istraživanje svemira korištenjem novih materijala.
Laserska fuzija u prahu (L-PBF) je široko korištena tehnologija u 3D printanju za zrakoplovnu industriju.
Potencijal svemirskih materijala
Zrakoplovna industrija istražuje nove materijale putem 3D printanja, predlažući inovativne alternative koje bi mogle poremetiti tržište. Dok su metali poput titana, aluminija i legura nikla i kroma oduvijek bili u glavnom fokusu, novi materijal bi uskoro mogao ukrasti pažnju: lunarni regolit. Lunarni regolit je sloj prašine koji prekriva Mjesec, a ESA je demonstrirala prednosti njegovog kombinovanja sa 3D printanjem. Advenit Makaya, viši inženjer proizvodnje u ESA-i, opisuje lunarni regolit kao sličan betonu, prvenstveno sastavljen od silicija i drugih hemijskih elemenata poput željeza, magnezija, aluminija i kisika. ESA je sklopila partnerstvo s Lithozom kako bi proizvodila male funkcionalne dijelove poput vijaka i zupčanika koristeći simulirani lunarni regolit sa svojstvima sličnim pravoj mjesečevoj prašini.
Većina procesa uključenih u proizvodnju lunarnog regolita koristi toplinu, što ga čini kompatibilnim s tehnologijama kao što su SLS i rješenja za lijepljenje praha. ESA također koristi D-Shape tehnologiju s ciljem proizvodnje čvrstih dijelova miješanjem magnezijum hlorida s materijalima i kombiniranjem s magnezijum oksidom koji se nalazi u simuliranom uzorku. Jedna od značajnih prednosti ovog lunarnog materijala je njegova finija rezolucija ispisa, što mu omogućava proizvodnju dijelova s najvećom preciznošću. Ova karakteristika mogla bi postati glavna prednost u proširenju raspona primjena i proizvodnje komponenti za buduće lunarne baze.
Lunarni regolit je svuda
Tu je i marsovski regolit, što se odnosi na podzemni materijal pronađen na Marsu. Trenutno međunarodne svemirske agencije ne mogu izvući ovaj materijal, ali to nije spriječilo naučnike da istražuju njegov potencijal u određenim svemirskim projektima. Istraživači koriste simulirane uzorke ovog materijala i kombiniraju ga s titanovom legurom za proizvodnju alata ili raketnih komponenti. Početni rezultati pokazuju da će ovaj materijal pružiti veću čvrstoću i zaštititi opremu od hrđe i oštećenja od zračenja. Iako ova dva materijala imaju slična svojstva, lunarni regolit je i dalje najispitivaniji materijal. Još jedna prednost je što se ovi materijali mogu proizvoditi na licu mjesta bez potrebe za transportom sirovina sa Zemlje. Osim toga, regolit je neiscrpan izvor materijala, što pomaže u sprječavanju nestašice.
Primjena 3D tehnologije štampanja u vazduhoplovnoj industriji
Primjena 3D tehnologije printanja u vazduhoplovnoj industriji može varirati ovisno o specifičnom korištenom procesu. Na primjer, laserska fuzija praha u sloju (L-PBF) može se koristiti za proizvodnju složenih kratkoročnih dijelova, kao što su sistemi alata ili rezervni dijelovi za svemirske sisteme. Launcher, startup sa sjedištem u Kaliforniji, koristio je Velo3D-ovu tehnologiju 3D printanja safir-metal kako bi poboljšao svoj E-2 raketni motor na tečno gorivo. Proces proizvođača korišten je za stvaranje indukcijske turbine, koja igra ključnu ulogu u ubrzavanju i ubrizgavanju LOX-a (tečnog kiseonika) u komoru za sagorijevanje. Turbina i senzor su odštampani korištenjem 3D tehnologije printanja, a zatim sastavljeni. Ova inovativna komponenta pruža raketi veći protok fluida i veći potisak, što je čini bitnim dijelom motora.
Velo3D je doprinio korištenju PBF tehnologije u proizvodnji raketnog motora na tekuće gorivo E-2.
Aditivna proizvodnja ima široku primjenu, uključujući proizvodnju malih i velikih struktura. Na primjer, tehnologije 3D printanja, kao što je Relativity Spaceovo rješenje Stargate, mogu se koristiti za proizvodnju velikih dijelova kao što su rezervoari za gorivo raketa i lopatice propelera. Relativity Space je to dokazao uspješnom proizvodnjom Terran 1, rakete gotovo u potpunosti 3D printane, uključujući rezervoar za gorivo dug nekoliko metara. Njeno prvo lansiranje 23. marta 2023. godine pokazalo je efikasnost i pouzdanost procesa aditivne proizvodnje.
Tehnologija 3D štampanja zasnovana na ekstruziji takođe omogućava proizvodnju dijelova korištenjem visokoperformansnih materijala kao što je PEEK. Komponente napravljene od ove termoplastike već su testirane u svemiru i postavljene su na rover Rashid kao dio lunarne misije UAE. Svrha ovog testa bila je procijeniti otpornost PEEK-a na ekstremne lunarne uslove. Ako bude uspješan, PEEK bi mogao biti u stanju da zamijeni metalne dijelove u situacijama kada se metalni dijelovi slome ili su materijali oskudni. Osim toga, lagana svojstva PEEK-a mogu biti vrijedna u istraživanju svemira.
Tehnologija 3D printanja može se koristiti za proizvodnju raznih dijelova za zrakoplovnu industriju.
Prednosti 3D printanja u vazduhoplovnoj industriji
Prednosti 3D printanja u vazduhoplovnoj industriji uključuju poboljšani konačni izgled dijelova u poređenju s tradicionalnim tehnikama konstrukcije. Johannes Homa, izvršni direktor austrijskog proizvođača 3D printera Lithoz, izjavio je da "ova tehnologija čini dijelove lakšim". Zbog slobode dizajna, 3D printani proizvodi su efikasniji i zahtijevaju manje resursa. To pozitivno utiče na uticaj proizvodnje dijelova na okoliš. Relativity Space je pokazao da aditivna proizvodnja može značajno smanjiti broj komponenti potrebnih za proizvodnju svemirskih letjelica. Za raketu Terran 1 ušteđeno je 100 dijelova. Osim toga, ova tehnologija ima značajne prednosti u brzini proizvodnje, jer se raketa završava za manje od 60 dana. Nasuprot tome, proizvodnja rakete tradicionalnim metodama mogla bi trajati nekoliko godina.
Što se tiče upravljanja resursima, 3D printanje može uštedjeti materijale, a u nekim slučajevima čak i omogućiti recikliranje otpada. Konačno, aditivna proizvodnja može postati vrijedna prednost za smanjenje težine raketa pri polijetanju. Cilj je maksimizirati korištenje lokalnih materijala, poput regolita, i minimizirati transport materijala unutar svemirske letjelice. To omogućava nošenje samo 3D printera, koji sve može kreirati na licu mjesta nakon putovanja.
Kompanija Made in Space je već poslala jedan od svojih 3D printera u svemir na testiranje.
Ograničenja 3D printanja u svemiru
Iako 3D printanje ima mnogo prednosti, tehnologija je još uvijek relativno nova i ima ograničenja. Advenit Makaya je izjavio: "Jedan od glavnih problema s aditivnom proizvodnjom u zrakoplovnoj industriji je kontrola i validacija procesa." Proizvođači mogu ući u laboratorij i testirati čvrstoću, pouzdanost i mikrostrukturu svakog dijela prije validacije, proces poznat kao nerazorno ispitivanje (NDT). Međutim, ovo može biti i dugotrajno i skupo, tako da je krajnji cilj smanjiti potrebu za ovim testovima. NASA je nedavno osnovala centar za rješavanje ovog problema, fokusiran na brzu certifikaciju metalnih komponenti proizvedenih aditivnom proizvodnjom. Centar ima za cilj korištenje digitalnih blizanaca za poboljšanje kompjuterskih modela proizvoda, što će pomoći inženjerima da bolje razumiju performanse i ograničenja dijelova, uključujući i koliki pritisak mogu izdržati prije loma. Na taj način, centar se nada da će pomoći u promociji primjene 3D printanja u zrakoplovnoj industriji, čineći ga efikasnijim u konkurenciji s tradicionalnim tehnikama proizvodnje.
Ove komponente su prošle sveobuhvatna ispitivanja pouzdanosti i čvrstoće.
S druge strane, proces verifikacije je drugačiji ako se proizvodnja obavlja u svemiru. Advenit Makaya iz ESA-e objašnjava: "Postoji tehnika koja uključuje analizu dijelova tokom štampanja." Ova metoda pomaže u određivanju koji su štampani proizvodi pogodni, a koji nisu. Osim toga, postoji sistem samokorekcije za 3D štampače namijenjene za svemir i testira se na metalnim mašinama. Ovaj sistem može identificirati potencijalne greške u procesu proizvodnje i automatski modificirati njegove parametre kako bi ispravio sve nedostatke na dijelu. Očekuje se da će ova dva sistema poboljšati pouzdanost štampanih proizvoda u svemiru.
Kako bi validirali 3D rješenja za printanje, NASA i ESA su uspostavile standarde. Ovi standardi uključuju niz testova za određivanje pouzdanosti dijelova. Oni razmatraju tehnologiju fuzije u sloju praha i ažuriraju ih za druge procese. Međutim, mnogi veliki igrači u industriji materijala, kao što su Arkema, BASF, Dupont i Sabic, također pružaju ovu sljedivost.
Život u svemiru?
S napretkom tehnologije 3D printanja, vidjeli smo mnogo uspješnih projekata na Zemlji koji koriste ovu tehnologiju za izgradnju kuća. To nas navodi na razmišljanje da li bi se ovaj proces mogao koristiti u bliskoj ili daljoj budućnosti za izgradnju nastanjivih struktura u svemiru. Iako je život u svemiru trenutno nerealan, izgradnja kuća, posebno na Mjesecu, može biti korisna za astronaute u izvršavanju svemirskih misija. Cilj Evropske svemirske agencije (ESA) je izgradnja kupola na Mjesecu koristeći lunarni regolit, koji se može koristiti za izgradnju zidova ili cigli za zaštitu astronauta od zračenja. Prema Advenitu Makayi iz ESA-e, lunarni regolit se sastoji od oko 60% metala i 40% kisika i neophodan je materijal za preživljavanje astronauta jer može osigurati beskrajan izvor kisika ako se izdvoji iz ovog materijala.
NASA je dodijelila grant od 57,2 miliona dolara kompaniji ICON za razvoj 3D sistema štampanja za izgradnju struktura na površini Mjeseca, a također sarađuje s kompanijom na stvaranju staništa Mars Dune Alpha. Cilj je testirati životne uslove na Marsu tako što će volonteri godinu dana živjeti u staništu, simulirajući uslove na Crvenoj planeti. Ovi napori predstavljaju ključne korake ka direktnoj izgradnji 3D štampanih struktura na Mjesecu i Marsu, što bi na kraju moglo utrti put ljudskoj kolonizaciji svemira.
U dalekoj budućnosti, ove kuće bi mogle omogućiti opstanak života u svemiru.
Vrijeme objave: 14. juni 2023.
