1900-luvulta lähtien ihmiskunta on ollut kiehtova avaruuden tutkimisesta ja Maan ulkopuolisten alueiden ymmärtämisestä. Suuret organisaatiot, kuten NASA ja ESA, ovat olleet avaruustutkimuksen eturintamassa, ja toinen tärkeä toimija tässä valloituksessa on 3D-tulostus. Kyky tuottaa nopeasti monimutkaisia osia alhaisilla kustannuksilla tekee tästä suunnitteluteknologiasta yhä suositumman yrityksissä. Se mahdollistaa monien sovellusten, kuten satelliittien, avaruuspukujen ja rakettien komponenttien, luomisen. Itse asiassa SmarTechin mukaan yksityisen avaruusteollisuuden lisäainevalmistuksen markkina-arvon odotetaan nousevan 2,1 miljardiin euroon vuoteen 2026 mennessä. Tämä herättää kysymyksen: miten 3D-tulostus voi auttaa ihmisiä menestymään avaruudessa?
Aluksi 3D-tulostusta käytettiin pääasiassa nopeaan prototyyppien valmistukseen lääketieteen, autoteollisuuden ja ilmailu- ja avaruusteollisuudessa. Teknologian yleistyessä sitä käytetään kuitenkin yhä enemmän loppukäyttöisissä komponenteissa. Metallien lisäainevalmistustekniikka, erityisesti L-PBF, on mahdollistanut erilaisten metallien tuotannon, joiden ominaisuudet ja kestävyys sopivat äärimmäisiin avaruusolosuhteisiin. Muita 3D-tulostustekniikoita, kuten DED:tä, sideainesuihkutusta ja ekstruusioprosessia, käytetään myös ilmailu- ja avaruuskomponenttien valmistuksessa. Viime vuosina on syntynyt uusia liiketoimintamalleja, ja yritykset, kuten Made in Space ja Relativity Space, käyttävät 3D-tulostusteknologiaa ilmailu- ja avaruuskomponenttien suunnitteluun.
Relativity Space kehittää 3D-tulostinta ilmailuteollisuudelle
3D-tulostustekniikka ilmailu- ja avaruusalalla
Nyt kun olemme esitelleet ne, tarkastellaan lähemmin erilaisia ilmailu- ja avaruusteollisuudessa käytettyjä 3D-tulostustekniikoita. Ensinnäkin on huomattava, että metallien additiivinen valmistus, erityisesti L-PBF, on tällä alalla yleisimmin käytetty menetelmä. Tässä prosessissa käytetään laserenergiaa metallijauheen sulattamiseen kerros kerrokselta. Se soveltuu erityisesti pienten, monimutkaisten, tarkkojen ja räätälöityjen osien valmistukseen. Myös ilmailu- ja avaruusteollisuuden valmistajat voivat hyötyä DED:stä, jossa kerrostetaan metallilankaa tai -jauhetta ja jota käytetään pääasiassa korjaamiseen, pinnoittamiseen tai räätälöityjen metalli- tai keraamisten osien valmistukseen.
Sitä vastoin sideainesuihkutus, vaikka se onkin edullinen tuotantonopeuden ja alhaisten kustannusten kannalta, ei sovellu korkean suorituskyvyn mekaanisten osien valmistukseen, koska se vaatii jälkikäsittelyn vahvistamisvaiheita, jotka pidentävät lopputuotteen valmistusaikaa. Ekstruusiotekniikka on tehokasta myös avaruusympäristössä. On huomattava, että kaikki polymeerit eivät sovellu käytettäväksi avaruudessa, mutta korkean suorituskyvyn muovit, kuten PEEK, voivat korvata joitakin metalliosia lujuutensa ansiosta. Tämä 3D-tulostusprosessi ei kuitenkaan ole vielä kovin laajalle levinnyt, mutta siitä voi tulla arvokas voimavara avaruustutkimuksessa uusien materiaalien avulla.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) on laajalti käytetty tekniikka 3D-tulostuksessa ilmailu- ja avaruustekniikassa.
Avaruusmateriaalien potentiaali
Ilmailuteollisuus on tutkinut uusia materiaaleja 3D-tulostuksen avulla ja ehdottanut innovatiivisia vaihtoehtoja, jotka saattavat mullistaa markkinoita. Vaikka metallit, kuten titaani, alumiini ja nikkeli-kromiseokset, ovat aina olleet pääpaino, uusi materiaali saattaa pian varastaa huomion: kuuregoliitti. Kuuregoliitti on kuuta peittävä pölykerros, ja ESA on osoittanut sen yhdistämisen 3D-tulostukseen edut. ESA:n vanhempi valmistusinsinööri Advenit Makaya kuvailee kuuregoliittia betonin kaltaiseksi, ja se koostuu pääasiassa piistä ja muista kemiallisista alkuaineista, kuten raudasta, magnesiumista, alumiinista ja hapesta. ESA on tehnyt yhteistyötä Lithozin kanssa pienten toiminnallisten osien, kuten ruuvien ja hammaspyörien, tuottamiseksi simuloidulla kuuregoliittilla, jonka ominaisuudet ovat samanlaisia kuin oikealla kuupölyllä.
Useimmat kuuregoliitin valmistusprosessit hyödyntävät lämpöä, mikä tekee siitä yhteensopivan sellaisten teknologioiden kanssa kuin SLS ja jauheliitostulostusratkaisut. ESA käyttää myös D-Shape-teknologiaa tavoitteenaan tuottaa kiinteitä osia sekoittamalla magnesiumkloridia materiaaleihin ja yhdistämällä sitä simuloidussa näytteessä olevaan magnesiumoksidiin. Yksi tämän kuumateriaalin merkittävistä eduista on sen hienompi tulostustarkkuus, jonka ansiosta sillä voidaan tuottaa osia erittäin tarkasti. Tästä ominaisuudesta voi tulla ensisijainen etu tulevien kuutukikohtien sovellusten ja komponenttien valmistuksessa.
Kuuregoliitti on kaikkialla
On myös olemassa Marsin regoliitti, joka viittaa Marsissa esiintyvään maanalaiseen materiaaliin. Tällä hetkellä kansainväliset avaruusjärjestöt eivät pysty hyödyntämään tätä materiaalia, mutta tämä ei ole estänyt tiedemiehiä tutkimasta sen potentiaalia tietyissä avaruusalan projekteissa. Tutkijat käyttävät tästä materiaalista simuloituja näytteitä ja yhdistävät sitä titaaniseokseen työkalujen tai rakettikomponenttien valmistamiseksi. Alustavat tulokset osoittavat, että tämä materiaali tarjoaa suurempaa lujuutta ja suojaa laitteita ruostumiselta ja säteilyvaurioilta. Vaikka näillä kahdella materiaalilla on samankaltaisia ominaisuuksia, kuuregoliitti on edelleen eniten testattu materiaali. Toinen etu on, että näitä materiaaleja voidaan valmistaa paikan päällä ilman, että raaka-aineita tarvitsee kuljettaa Maasta. Lisäksi regoliitti on ehtymätön materiaalilähde, joka auttaa ehkäisemään niukkuutta.
3D-tulostustekniikan sovellukset ilmailuteollisuudessa
3D-tulostusteknologian sovellukset ilmailuteollisuudessa voivat vaihdella käytetyn prosessin mukaan. Esimerkiksi laserjauhepetifuusiota (L-PBF) voidaan käyttää monimutkaisten lyhytaikaisten osien, kuten työkalujärjestelmien tai avaruusvaraosien, valmistukseen. Kalifornialainen startup-yritys Launcher käytti Velo3D:n safiirimetallista valmistettua 3D-tulostusteknologiaa parantaakseen E-2-nestemäistä rakettimoottoriaan. Valmistajan prosessia käytettiin induktioturbiinin luomiseen, jolla on ratkaiseva rooli nestemäisen hapen (LOX) kiihdyttämisessä ja ajamisessa palotilaan. Turbiini ja anturi tulostettiin 3D-tulostustekniikalla ja koottiin sitten. Tämä innovatiivinen komponentti tarjoaa raketille suuremman nestevirtauksen ja suuremman työntövoiman, mikä tekee siitä olennaisen osan moottoria.
Velo3D edisti PBF-teknologian käyttöä E-2-nestemäistä polttoainetta käyttävän rakettimoottorin valmistuksessa.
Additiivisella valmistuksella on laaja sovellusalue, mukaan lukien pienten ja suurten rakenteiden tuotanto. Esimerkiksi 3D-tulostustekniikoita, kuten Relativity Spacen Stargate-ratkaisua, voidaan käyttää suurten osien, kuten rakettien polttoainesäiliöiden ja potkurin lapojen, valmistukseen. Relativity Space on osoittanut tämän Terran 1:n onnistuneella tuotannolla. Terran 1 on lähes kokonaan 3D-tulostettu raketti, joka sisältää useita metrejä pitkän polttoainesäiliön. Sen ensimmäinen laukaisu 23. maaliskuuta 2023 osoitti additiivisten valmistusprosessien tehokkuuden ja luotettavuuden.
Ekstruusioon perustuva 3D-tulostustekniikka mahdollistaa myös osien valmistuksen käyttämällä korkean suorituskyvyn materiaaleja, kuten PEEK:ia. Tästä kestomuovista valmistettuja komponentteja on jo testattu avaruudessa, ja niitä on sijoitettu Rashid-mönkijälle osana Yhdistyneiden arabiemiirikuntien kuutehtävää. Tämän testin tarkoituksena oli arvioida PEEK:n kestävyyttä äärimmäisissä kuuolosuhteissa. Jos testi onnistuu, PEEK voi pystyä korvaamaan metalliosia tilanteissa, joissa metalliosat rikkoutuvat tai materiaaleja on niukasti. Lisäksi PEEK:n kevyet ominaisuudet voivat olla arvokkaita avaruustutkimuksessa.
3D-tulostustekniikkaa voidaan käyttää monenlaisten osien valmistukseen ilmailuteollisuudelle.
3D-tulostuksen edut ilmailu- ja avaruusteollisuudessa
3D-tulostuksen etuihin ilmailuteollisuudessa kuuluu osien parempi lopullinen ulkonäkö perinteisiin rakennustekniikoihin verrattuna. Itävaltalaisen 3D-tulostinvalmistajan Lithozin toimitusjohtaja Johannes Homa totesi, että "tämä teknologia tekee osista kevyempiä". Suunnitteluvapauden ansiosta 3D-tulostetut tuotteet ovat tehokkaampia ja vaativat vähemmän resursseja. Tällä on positiivinen vaikutus osien tuotannon ympäristövaikutuksiin. Relativity Space on osoittanut, että additiivinen valmistus voi merkittävästi vähentää avaruusalusten valmistuksessa tarvittavien komponenttien määrää. Terran 1 -raketin osalta säästettiin 100 osaa. Lisäksi tällä teknologialla on merkittäviä etuja tuotantonopeudessa, sillä raketti valmistuu alle 60 päivässä. Sitä vastoin raketin valmistaminen perinteisillä menetelmillä voi kestää useita vuosia.
Resurssienhallinnan osalta 3D-tulostus voi säästää materiaaleja ja joissakin tapauksissa jopa mahdollistaa jätteen kierrätyksen. Lopuksi, lisäainevalmistus voi olla arvokas työkalu rakettien lentoonlähtöpainon vähentämisessä. Tavoitteena on maksimoida paikallisten materiaalien, kuten regoliitin, käyttö ja minimoida materiaalien kuljetus avaruusaluksessa. Tämä mahdollistaa pelkän 3D-tulostimen kuljettamisen mukana, jolloin kaikki voidaan luoda paikan päällä matkan jälkeen.
Made in Space on jo lähettänyt yhden 3D-tulostimistaan avaruuteen testattavaksi.
3D-tulostuksen rajoitukset avaruudessa
Vaikka 3D-tulostuksella on monia etuja, teknologia on vielä suhteellisen uusi ja sillä on rajoituksensa. Advenit Makaya totesi: "Yksi ilmailu- ja avaruusteollisuudessa käytettävien lisäaineiden valmistuksen suurimmista ongelmista on prosessinohjaus ja validointi." Valmistajat voivat mennä laboratorioon ja testata jokaisen osan lujuuden, luotettavuuden ja mikrorakenteen ennen validointia. Tätä prosessia kutsutaan rikkomattomaksi testaukseksi (NDT). Tämä voi kuitenkin olla sekä aikaa vievää että kallista, joten perimmäisenä tavoitteena on vähentää näiden testien tarvetta. NASA perusti äskettäin keskuksen tämän ongelman ratkaisemiseksi, joka keskittyy lisäaineiden valmistuksella valmistettujen metallikomponenttien nopeaan sertifiointiin. Keskuksen tavoitteena on käyttää digitaalisia kaksosia tuotteiden tietokonepohjaisten mallien parantamiseen, mikä auttaa insinöörejä ymmärtämään paremmin osien suorituskykyä ja rajoituksia, mukaan lukien sen, kuinka paljon painetta ne kestävät ennen murtumista. Tällä tavoin keskus toivoo edistävänsä 3D-tulostuksen soveltamista ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, mikä tekee siitä tehokkaamman kilpailijan perinteisten valmistustekniikoiden kanssa.
Nämä komponentit ovat läpikäyneet perusteelliset luotettavuus- ja lujuustestit.
Toisaalta varmennusprosessi on erilainen, jos valmistus tapahtuu avaruudessa. ESAn Advenit Makaya selittää: "On olemassa tekniikka, jossa osia analysoidaan tulostuksen aikana." Tämä menetelmä auttaa määrittämään, mitkä painetut tuotteet sopivat ja mitkä eivät. Lisäksi avaruuteen tarkoitetuille 3D-tulostimille on olemassa itsekorjausjärjestelmä, jota testataan metallikoneilla. Tämä järjestelmä pystyy tunnistamaan mahdolliset virheet valmistusprosessissa ja muokkaamaan parametrejaan automaattisesti korjatakseen osan mahdolliset virheet. Näiden kahden järjestelmän odotetaan parantavan painettujen tuotteiden luotettavuutta avaruudessa.
NASA ja ESA ovat laatineet standardeja 3D-tulostusratkaisujen validoimiseksi. Näihin standardeihin kuuluu sarja testejä osien luotettavuuden määrittämiseksi. Ne tarkastelevat jauhepetifuusiotekniikkaa ja päivittävät niitä muita prosesseja varten. Monet suuret materiaaliteollisuuden toimijat, kuten Arkema, BASF, Dupont ja Sabic, tarjoavat kuitenkin myös tämän jäljitettävyyden.
Asuuko avaruudessa?
3D-tulostusteknologian kehittyessä olemme nähneet Maassa monia onnistuneita projekteja, joissa tätä teknologiaa käytetään talojen rakentamiseen. Tämä saa meidät miettimään, voitaisiinko tätä prosessia käyttää lähitulevaisuudessa asuttavien rakenteiden rakentamiseen avaruuteen. Vaikka avaruudessa eläminen on tällä hetkellä epärealistista, talojen rakentaminen, erityisesti kuuhun, voi olla hyödyllistä astronauteille avaruuslentojen suorittamisessa. Euroopan avaruusjärjestön (ESA) tavoitteena on rakentaa kupuja kuuhun käyttämällä kuuregoliittia, jota voidaan käyttää seinien tai tiilien rakentamiseen astronautien suojaamiseksi säteilyltä. ESA:n Advenit Makayan mukaan kuuregoliitti koostuu noin 60-prosenttisesti metallista ja 40-prosenttisesti hapesta ja on välttämätön materiaali astronauttien selviytymiselle, koska se voi tarjota loputtoman happilähteen, jos se uutetaan tästä materiaalista.
NASA on myöntänyt ICONille 57,2 miljoonan dollarin apurahan 3D-tulostusjärjestelmän kehittämiseen kuun pinnalle rakennettavien rakenteiden rakentamiseksi. NASA tekee myös yhteistyötä yrityksen kanssa luodakseen Mars Dune Alpha -elinympäristön. Tavoitteena on testata elinolosuhteita Marsissa antamalla vapaaehtoisten asua vuoden ajan elinympäristössä, joka simuloi olosuhteita punaisella planeetalla. Nämä ponnistelut edustavat kriittisiä askeleita kohti 3D-tulostettujen rakenteiden rakentamista suoraan Kuuhun ja Marsiin, mikä voisi lopulta tasoittaa tietä ihmisen avaruuskolonisaatiolle.
Kaukaisessa tulevaisuudessa nämä talot voisivat mahdollistaa elämän selviytymisen avaruudessa.
Julkaisun aika: 14. kesäkuuta 2023
