Sedert die 20ste eeu is die mensdom gefassineer deur die verkenning van die ruimte en die begrip van wat buite die Aarde lê. Groot organisasies soos NASA en ESA was aan die voorpunt van ruimteverkenning, en nog 'n belangrike speler in hierdie verowering is 3D-drukwerk. Met die vermoë om komplekse onderdele vinnig teen lae koste te vervaardig, word hierdie ontwerptegnologie toenemend gewild in maatskappye. Dit maak die skepping van baie toepassings moontlik, soos satelliete, ruimtepakke en vuurpylkomponente. Trouens, volgens SmarTech word verwag dat die markwaarde van additiewe vervaardiging in die private ruimtebedryf teen 2026 €2,1 miljard sal bereik. Dit laat die vraag ontstaan: Hoe kan 3D-drukwerk mense help om in die ruimte uit te blink?
Aanvanklik is 3D-drukwerk hoofsaaklik gebruik vir vinnige prototipering in die mediese, motor- en lugvaartbedrywe. Namate die tegnologie egter meer wydverspreid geword het, word dit toenemend vir finale komponente gebruik. Metaaladditiewe vervaardigingstegnologie, veral L-PBF, het die produksie van 'n verskeidenheid metale met eienskappe en duursaamheid wat geskik is vir uiterste ruimtetoestande moontlik gemaak. Ander 3D-druktegnologieë, soos DED, binderspuiting en ekstrusieproses, word ook gebruik in die vervaardiging van lugvaartkomponente. In onlangse jare het nuwe besigheidsmodelle ontstaan, met maatskappye soos Made in Space en Relativity Space wat 3D-druktegnologie gebruik om lugvaartkomponente te ontwerp.
Relativity Space ontwikkel 3D-drukker vir lugvaartbedryf
3D-druktegnologie in lugvaart
Noudat ons hulle bekendgestel het, kom ons kyk van naderby na die verskillende 3D-druktegnologieë wat in die lugvaartbedryf gebruik word. Eerstens moet daarop gelet word dat metaaladditiewe vervaardiging, veral L-PBF, die mees gebruikte in hierdie veld is. Hierdie proses behels die gebruik van laserenergie om metaalpoeier laag vir laag te smelt. Dit is veral geskik vir die vervaardiging van klein, komplekse, presiese en aangepaste onderdele. Lugvaartvervaardigers kan ook baat vind by DED, wat die neerlegging van metaaldraad of poeier behels en hoofsaaklik gebruik word vir die herstel, bedekking of vervaardiging van aangepaste metaal- of keramiekonderdele.
In teenstelling hiermee is bindmiddelspuiting, hoewel voordelig in terme van produksiespoed en lae koste, nie geskik vir die vervaardiging van hoëprestasie meganiese onderdele nie, omdat dit naverwerkingsversterkingsstappe vereis wat die vervaardigingstyd van die finale produk verhoog. Ekstrusietegnologie is ook effektief in die ruimte-omgewing. Daar moet kennis geneem word dat nie alle polimere geskik is vir gebruik in die ruimte nie, maar hoëprestasieplastiek soos PEEK kan sommige metaalonderdele vervang as gevolg van hul sterkte. Hierdie 3D-drukproses is egter steeds nie baie wydverspreid nie, maar dit kan 'n waardevolle bate vir ruimteverkenning word deur nuwe materiale te gebruik.
Laserpoeierbedfusie (L-PBF) is 'n wyd gebruikte tegnologie in 3D-drukwerk vir lugvaart.
Potensiaal van Ruimtemateriale
Die lugvaartbedryf ondersoek nuwe materiale deur middel van 3D-drukwerk en stel innoverende alternatiewe voor wat die mark kan ontwrig. Terwyl metale soos titanium-, aluminium- en nikkel-chroomlegerings nog altyd die hoof fokus was, kan 'n nuwe materiaal binnekort die kollig steel: maanregolith. Maanregolith is 'n laag stof wat die maan bedek, en ESA het die voordele van die kombinasie daarvan met 3D-drukwerk gedemonstreer. Advenit Makaya, 'n senior vervaardigingsingenieur van ESA, beskryf maanregolith as soortgelyk aan beton, hoofsaaklik saamgestel uit silikon en ander chemiese elemente soos yster, magnesium, aluminium en suurstof. ESA het met Lithoz saamgewerk om klein funksionele onderdele soos skroewe en ratte te vervaardig deur gebruik te maak van gesimuleerde maanregolith met eienskappe soortgelyk aan regte maanstof.
Die meeste van die prosesse betrokke by die vervaardiging van maanregolit gebruik hitte, wat dit versoenbaar maak met tegnologieë soos SLS en poeierbindingsdrukoplossings. ESA gebruik ook D-vorm-tegnologie met die doel om soliede dele te produseer deur magnesiumchloried met materiale te meng en dit te kombineer met magnesiumoksied wat in die gesimuleerde monster voorkom. Een van die belangrikste voordele van hierdie maanmateriaal is die fyner drukresolusie, wat dit in staat stel om dele met die hoogste presisie te produseer. Hierdie kenmerk kan die primêre bate word in die uitbreiding van die reeks toepassings en die vervaardiging van komponente vir toekomstige maanbasisse.
Maanregoliet is oral
Daar is ook Mars-regolit, wat verwys na ondergrondse materiaal wat op Mars gevind is. Tans kan internasionale ruimteagentskappe nie hierdie materiaal herwin nie, maar dit het wetenskaplikes nie gekeer om die potensiaal daarvan in sekere lugvaartprojekte te ondersoek nie. Navorsers gebruik gesimuleerde monsters van hierdie materiaal en kombineer dit met titaniumlegering om gereedskap of vuurpylkomponente te vervaardig. Aanvanklike resultate dui daarop dat hierdie materiaal hoër sterkte sal bied en toerusting teen roes en stralingsskade sal beskerm. Alhoewel hierdie twee materiale soortgelyke eienskappe het, is maan-regolit steeds die mees getoetste materiaal. Nog 'n voordeel is dat hierdie materiale ter plaatse vervaardig kan word sonder die vervoer van grondstowwe vanaf die Aarde. Boonop is regoliet 'n onuitputlike materiaalbron, wat help om skaarste te voorkom.
Die toepassings van 3D-druktegnologie in die lugvaartbedryf
Die toepassings van 3D-druktegnologie in die lugvaartbedryf kan wissel na gelang van die spesifieke proses wat gebruik word. Laserpoeierbedfusie (L-PBF) kan byvoorbeeld gebruik word om ingewikkelde korttermynonderdele te vervaardig, soos gereedskapstelsels of ruimteonderdele. Launcher, 'n opstartonderneming in Kalifornië, het Velo3D se saffiermetaal 3D-druktegnologie gebruik om sy E-2-vloeistofvuurpylenjin te verbeter. Die vervaardiger se proses is gebruik om die induksieturbine te skep, wat 'n belangrike rol speel in die versnelling en aandryf van LOX (vloeibare suurstof) in die verbrandingskamer. Die turbine en sensor is elk met behulp van 3D-druktegnologie gedruk en toe saamgestel. Hierdie innoverende komponent bied die vuurpyl groter vloeistofvloei en groter stukrag, wat dit 'n noodsaaklike deel van die enjin maak.
Velo3D het bygedra tot die gebruik van PBF-tegnologie in die vervaardiging van die E-2 vloeibare vuurpyl-enjin.
Additiewe vervaardiging het breë toepassings, insluitend die produksie van klein en groot strukture. Byvoorbeeld, 3D-druktegnologieë soos Relativity Space se Stargate-oplossing kan gebruik word om groot onderdele soos vuurpylbrandstoftenks en skroeflemme te vervaardig. Relativity Space het dit bewys deur die suksesvolle produksie van die Terran 1, 'n byna geheel en al 3D-gedrukte vuurpyl, insluitend 'n brandstoftenk van etlike meters. Die eerste lansering daarvan op 23 Maart 2023 het die doeltreffendheid en betroubaarheid van additiewe vervaardigingsprosesse gedemonstreer.
Ekstrusie-gebaseerde 3D-druktegnologie maak ook die produksie van onderdele met behulp van hoëprestasiemateriale soos PEEK moontlik. Komponente wat van hierdie termoplastiek gemaak is, is reeds in die ruimte getoets en is op die Rashid-verkenner geplaas as deel van die VAE-maanmissie. Die doel van hierdie toets was om PEEK se weerstand teen uiterste maantoestande te evalueer. Indien suksesvol, kan PEEK moontlik metaalonderdele vervang in situasies waar metaalonderdele breek of materiale skaars is. Daarbenewens kan PEEK se liggewig-eienskappe van waarde wees in ruimteverkenning.
3D-druktegnologie kan gebruik word om 'n verskeidenheid onderdele vir die lugvaartbedryf te vervaardig.
Voordele van 3D-drukwerk in die lugvaartbedryf
Voordele van 3D-drukwerk in die lugvaartbedryf sluit in die verbeterde finale voorkoms van onderdele in vergelyking met tradisionele konstruksietegnieke. Johannes Homa, uitvoerende hoof van die Oostenrykse 3D-drukkervervaardiger Lithoz, het gesê dat "hierdie tegnologie onderdele ligter maak." As gevolg van ontwerpvryheid is 3D-gedrukte produkte meer doeltreffend en benodig minder hulpbronne. Dit het 'n positiewe impak op die omgewingsimpak van onderdeelproduksie. Relativity Space het gedemonstreer dat additiewe vervaardiging die aantal komponente wat benodig word om ruimtetuie te vervaardig, aansienlik kan verminder. Vir die Terran 1-vuurpyl is 100 onderdele bespaar. Boonop het hierdie tegnologie beduidende voordele in produksiespoed, met die vuurpyl wat in minder as 60 dae voltooi is. In teenstelling hiermee kan die vervaardiging van 'n vuurpyl met behulp van tradisionele metodes etlike jare neem.
Wat hulpbronbestuur betref, kan 3D-drukwerk materiale bespaar en in sommige gevalle selfs afvalherwinning moontlik maak. Laastens kan additiewe vervaardiging 'n waardevolle bate word om die opstyggewig van vuurpyle te verminder. Die doel is om die gebruik van plaaslike materiale, soos regoliet, te maksimeer en die vervoer van materiale binne ruimtetuie te minimaliseer. Dit maak dit moontlik om slegs 'n 3D-drukker te dra, wat alles na die reis ter plaatse kan skep.
Made in Space het reeds een van hul 3D-drukkers na die ruimte gestuur vir toetsing.
Beperkings van 3D-drukwerk in die ruimte
Alhoewel 3D-drukwerk baie voordele inhou, is die tegnologie steeds relatief nuut en het dit beperkings. Advenit Makaya het gesê: "Een van die hoofprobleme met additiewe vervaardiging in die lugvaartbedryf is prosesbeheer en validering." Vervaardigers kan die laboratorium binnegaan en elke onderdeel se sterkte, betroubaarheid en mikrostruktuur toets voor validering, 'n proses wat bekend staan as nie-vernietigende toetsing (NDT). Dit kan egter beide tydrowend en duur wees, so die uiteindelike doel is om die behoefte aan hierdie toetse te verminder. NASA het onlangs 'n sentrum gestig om hierdie probleem aan te spreek, gefokus op die vinnige sertifisering van metaalkomponente wat deur additiewe vervaardiging vervaardig word. Die sentrum beoog om digitale tweelinge te gebruik om rekenaarmodelle van produkte te verbeter, wat ingenieurs sal help om die werkverrigting en beperkings van onderdele beter te verstaan, insluitend hoeveel druk hulle kan weerstaan voor breuk. Deur dit te doen, hoop die sentrum om die toepassing van 3D-drukwerk in die lugvaartbedryf te bevorder, wat dit meer effektief maak in die kompetisie met tradisionele vervaardigingstegnieke.
Hierdie komponente het omvattende betroubaarheids- en sterktetoetsing ondergaan.
Aan die ander kant is die verifikasieproses anders as vervaardiging in die ruimte gedoen word. ESA se Advenit Makaya verduidelik: "Daar is 'n tegniek wat die ontleding van die onderdele tydens drukwerk behels." Hierdie metode help om te bepaal watter gedrukte produkte geskik is en watter nie. Daarbenewens is daar 'n selfkorreksiestelsel vir 3D-drukkers wat vir die ruimte bedoel is en word op metaalmasjiene getoets. Hierdie stelsel kan potensiële foute in die vervaardigingsproses identifiseer en outomaties die parameters daarvan wysig om enige defekte in die onderdeel reg te stel. Daar word verwag dat hierdie twee stelsels die betroubaarheid van gedrukte produkte in die ruimte sal verbeter.
Om 3D-drukoplossings te valideer, het NASA en ESA standaarde vasgestel. Hierdie standaarde sluit 'n reeks toetse in om die betroubaarheid van onderdele te bepaal. Hulle oorweeg poeierbed-fusietegnologie en werk dit op vir ander prosesse. Baie groot spelers in die materiaalbedryf, soos Arkema, BASF, Dupont en Sabic, bied egter ook hierdie naspeurbaarheid.
Leef in die ruimte?
Met die vooruitgang van 3D-druktegnologie het ons baie suksesvolle projekte op Aarde gesien wat hierdie tegnologie gebruik om huise te bou. Dit laat ons wonder of hierdie proses in die nabye of verre toekoms gebruik kan word om bewoonbare strukture in die ruimte te bou. Terwyl dit tans onrealisties is om in die ruimte te woon, kan die bou van huise, veral op die maan, voordelig wees vir ruimtevaarders in die uitvoering van ruimtemissies. Die doel van die Europese Ruimteagentskap (ESA) is om koepels op die maan te bou met behulp van maanregolith, wat gebruik kan word om mure of bakstene te bou om ruimtevaarders teen bestraling te beskerm. Volgens Advenit Makaya van ESA bestaan maanregolith uit ongeveer 60% metaal en 40% suurstof en is dit 'n noodsaaklike materiaal vir ruimtevaarder-oorlewing omdat dit 'n eindelose bron van suurstof kan verskaf as dit uit hierdie materiaal onttrek word.
NASA het 'n toelaag van $57,2 miljoen aan ICON toegeken vir die ontwikkeling van 'n 3D-drukstelsel vir die bou van strukture op die maanoppervlak en werk ook saam met die maatskappy om 'n Mars Dune Alpha-habitat te skep. Die doel is om lewensomstandighede op Mars te toets deur vrywilligers vir een jaar in 'n habitat te laat woon en toestande op die Rooi Planeet te simuleer. Hierdie pogings verteenwoordig kritieke stappe in die rigting van die direkte konstruksie van 3D-gedrukte strukture op die maan en Mars, wat uiteindelik die weg kan baan vir menslike ruimtekolonisering.
In die verre toekoms kan hierdie huise lewe in die ruimte in staat stel om te oorleef.
Plasingstyd: 14 Junie 2023
