1900-luvulta lähtien ihmiskunta on kiehtonut avaruuden tutkimista ja sen ymmärtämistä, mitä Maan ulkopuolella on.Suuret organisaatiot, kuten NASA ja ESA, ovat olleet avaruustutkimuksen eturintamassa, ja toinen tärkeä toimija tässä valloituksessa on 3D-tulostus.Koska tämä suunnittelutekniikka pystyy valmistamaan nopeasti monimutkaisia osia alhaisin kustannuksin, se on tulossa yhä suositummaksi yrityksissä.Sen avulla voidaan luoda monia sovelluksia, kuten satelliitteja, avaruuspukuja ja rakettikomponentteja.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?
Alun perin 3D-tulostusta käytettiin pääasiassa nopeaan prototyyppien valmistukseen lääketieteellisessä, autoteollisuudessa ja ilmailuteollisuudessa.Teknologian yleistyessä sitä kuitenkin käytetään yhä enemmän loppukäyttöön tarkoitettujen komponenttien valmistukseen.Metallilisäainevalmistustekniikka, erityisesti L-PBF, on mahdollistanut useiden metallien valmistuksen, joiden ominaisuudet ja kestävyys sopivat äärimmäisiin tilaolosuhteisiin.Ilmailu-avaruuskomponenttien valmistuksessa käytetään myös muita 3D-tulostustekniikoita, kuten DED:tä, sideainesuihkutusta ja ekstruusioprosessia.Viime vuosina on ilmaantunut uusia liiketoimintamalleja, joissa yritykset, kuten Made in Space ja Relativity Space, käyttävät 3D-tulostustekniikkaa ilmailu-avaruuskomponenttien suunnitteluun.
Relativity Space kehittävä 3D-tulostin ilmailuteollisuudelle
3D-tulostustekniikka ilmailussa
Nyt kun olemme esitellyt ne, katsotaanpa tarkemmin ilmailuteollisuudessa käytettyjä 3D-tulostustekniikoita.Ensinnäkin on huomattava, että metallilisäaineiden valmistus, erityisesti L-PBF, on tällä alalla laajimmin käytetty.Tämä prosessi sisältää laserenergian käytön metallijauheen sulattamiseen kerros kerrokselta.Se soveltuu erityisesti pienten, monimutkaisten, tarkkojen ja räätälöityjen osien valmistukseen.Ilmailualan valmistajat voivat myös hyötyä DED:stä, joka sisältää metallilangan tai jauheen kerrostamisen ja jota käytetään pääasiassa korjaamiseen, pinnoittamiseen tai räätälöityjen metalli- tai keraamisten osien valmistukseen.
Sitä vastoin sideainesuihkutus, vaikka se on edullinen tuotantonopeuden ja alhaisten kustannusten kannalta, ei sovellu korkean suorituskyvyn mekaanisten osien valmistukseen, koska se vaatii jälkikäsittelyn vahvistusvaiheita, jotka lisäävät lopputuotteen valmistusaikaa.Ekstruusiotekniikka on tehokas myös avaruusympäristössä.On huomattava, että kaikki polymeerit eivät sovellu käytettäväksi avaruudessa, mutta suorituskykyiset muovit, kuten PEEK, voivat lujuutensa vuoksi korvata joitain metalliosia.Tämä 3D-tulostusprosessi ei kuitenkaan ole vielä kovin laajalle levinnyt, mutta siitä voi tulla arvokasta avaruustutkimusta käyttämällä uusia materiaaleja.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) on laajalti käytetty tekniikka ilmailun 3D-tulostuksessa.
Avaruusmateriaalien potentiaali
Ilmailu- ja avaruusteollisuus on tutkinut uusia materiaaleja 3D-tulostuksen avulla ja ehdottanut innovatiivisia vaihtoehtoja, jotka voivat häiritä markkinoita.Vaikka metallit, kuten titaani, alumiini ja nikkeli-kromiseokset ovat aina olleet pääpaino, uusi materiaali saattaa pian varastaa valokeilan: kuun regolitti.Kuun regoliitti on kuun peittävä pölykerros, ja ESA on osoittanut sen yhdistämisen edut 3D-tulostukseen.Advenit Makaya, ESAn vanhempi valmistusinsinööri, kuvailee kuun regoliittia betonin kaltaiseksi, ja se koostuu pääasiassa piistä ja muista kemiallisista alkuaineista, kuten raudasta, magnesiumista, alumiinista ja hapesta.ESA on tehnyt yhteistyötä Lithozin kanssa tuottaakseen pieniä toiminnallisia osia, kuten ruuveja ja hammaspyöriä, käyttämällä simuloitua kuuregoliittia, jonka ominaisuudet ovat samankaltaisia kuin todellista kuupölyä.
Suurin osa kuuregoliitin valmistukseen liittyvistä prosesseista käyttää lämpöä, mikä tekee siitä yhteensopivan teknologioiden, kuten SLS- ja jauheliitostulostusratkaisujen kanssa.ESA käyttää myös D-Shape-tekniikkaa tavoitteenaan tuottaa kiinteitä osia sekoittamalla magnesiumkloridia materiaaleihin ja yhdistämällä se simuloidussa näytteessä olevaan magnesiumoksidiin.Yksi tämän kuumateriaalin merkittävistä eduista on sen hienompi tulostustarkkuus, joka mahdollistaa osien valmistamisen erittäin tarkasti.Tästä ominaisuudesta voi tulla ensisijainen voimavara tulevaisuuden kuun tukikohtien sovellus- ja valmistuskomponenttien laajentamisessa.
Lunar Regolith on kaikkialla
Siellä on myös Marsin regolitti, joka viittaa Marsista löydettyyn maanalaiseen materiaaliin.Tällä hetkellä kansainväliset avaruusjärjestöt eivät voi saada tätä materiaalia talteen, mutta tämä ei ole estänyt tutkijoita tutkimasta sen potentiaalia tietyissä ilmailuprojekteissa.Tutkijat käyttävät simuloituja näytteitä tästä materiaalista ja yhdistävät sen titaaniseokseen työkalujen tai raketin komponenttien tuottamiseksi.Alustavat tulokset osoittavat, että tämä materiaali lisää lujuutta ja suojaa laitteita ruosteelta ja säteilyvaurioilta.Vaikka näillä kahdella materiaalilla on samanlaiset ominaisuudet, kuun regoliitti on edelleen testatuin materiaali.Toinen etu on, että nämä materiaalit voidaan valmistaa paikan päällä ilman, että tarvitsee kuljettaa raaka-aineita maapallolta.Lisäksi regoliitti on ehtymätön materiaalilähde, joka auttaa estämään niukkuutta.
3D-tulostustekniikan sovellukset ilmailuteollisuudessa
3D-tulostustekniikan sovellukset ilmailuteollisuudessa voivat vaihdella käytetyn prosessin mukaan.Esimerkiksi laserjauhepetifuusiota (L-PBF) voidaan käyttää monimutkaisten lyhytaikaisten osien, kuten työkalujärjestelmien tai tilavaraosien, valmistukseen.Launcher, Kaliforniassa sijaitseva startup, käytti Velo3D:n safiirimetalli-3D-tulostustekniikkaa parantaakseen E-2 nesterakettimoottoriaan.Valmistajan prosessia käytettiin induktioturbiinin luomiseen, jolla on ratkaiseva rooli LOX:n (nestemäisen hapen) kiihdyttämisessä ja ohjaamisessa 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 osallistui PBF-teknologian käyttöön E-2-nesterakettimoottorin valmistuksessa.
Additiivisella valmistuksella on laajat sovellukset, mukaan lukien pienten ja suurten rakenteiden tuotanto.Esimerkiksi 3D-tulostustekniikoilla, kuten Relativity Spacen Stargate-ratkaisulla, voidaan valmistaa suuria osia, kuten raketin polttoainesäiliöitä ja potkurin lapoja.Suhteellisuusavaruus on osoittanut tämän onnistuneesti tuottamalla Terran 1, lähes kokonaan 3D-tulostettu raketti, jossa on useita metrejä pitkä polttoainesäiliö.Sen ensimmäinen lanseeraus 23. maaliskuuta 2023 osoitti lisäaineiden valmistusprosessien tehokkuuden ja luotettavuuden.
Ekstruusiopohjainen 3D-tulostustekniikka mahdollistaa myös osien valmistuksen korkean suorituskyvyn materiaaleista, kuten PEEK:stä.Tästä kestomuovista valmistettuja komponentteja on jo testattu avaruudessa, ja ne sijoitettiin Rashid-mönkijään osana Yhdistyneiden arabiemiirikuntien kuumatkaa.Tämän testin tarkoituksena oli arvioida PEEK:n vastustuskykyä äärimmäisiä kuun olosuhteita vastaan.Jos onnistuu, PEEK voi pystyä vaihtamaan metalliosat tilanteissa, joissa metalliosat rikkoutuvat tai materiaaleja on vähän.Lisäksi PEEKin kevyet ominaisuudet voivat olla arvokkaita avaruustutkimuksessa.
3D-tulostusteknologialla voidaan valmistaa erilaisia osia ilmailuteollisuudelle.
3D-tulostuksen edut ilmailuteollisuudessa
3D-tulostuksen etuja ilmailuteollisuudessa ovat osien parempi ulkonäkö perinteisiin rakennustekniikoihin verrattuna.Johannes Homa, itävaltalaisen 3D-tulostinvalmistajan Lithozin toimitusjohtaja, totesi, että "tämä tekniikka tekee osista kevyempiä".Suunnitteluvapauden ansiosta 3D-painetut tuotteet ovat tehokkaampia ja vaativat vähemmän resursseja.Tällä on myönteinen vaikutus osatuotannon ympäristövaikutuksiin.Suhteellisuus-avaruus on osoittanut, että additiivinen valmistus voi vähentää merkittävästi avaruusalusten valmistukseen tarvittavien komponenttien määrää.Terran 1 -raketissa säästettiin 100 osaa.Lisäksi tällä tekniikalla on merkittäviä etuja tuotantonopeudessa, sillä raketti valmistuu alle 60 päivässä.Sen sijaan raketin valmistaminen perinteisillä menetelmillä voi kestää useita vuosia.
Resurssienhallinnan osalta 3D-tulostus voi säästää materiaaleja ja joissain tapauksissa jopa mahdollistaa jätteiden kierrätyksen.Lopuksi, lisäainevalmistus voi olla arvokas voimavara rakettien lentoonlähtöpainon vähentämisessä.Tavoitteena on maksimoida paikallisten materiaalien, kuten regolitin, käyttö ja minimoida materiaalien kuljetus avaruusaluksissa.Tämä mahdollistaa vain 3D-tulostimen kuljettamisen, joka voi luoda kaiken paikan päällä matkan jälkeen.
Made in Space on jo lähettänyt yhden 3D-tulostimestaan avaruuteen testattavaksi.
3D-tulostuksen rajoitukset avaruudessa
Vaikka 3D-tulostuksella on monia etuja, tekniikka on vielä suhteellisen uutta ja sillä on rajoituksia.Advenit Makaya totesi: "Yksi lisäaineiden valmistuksen suurimmista ongelmista ilmailuteollisuudessa on prosessin ohjaus ja validointi."Valmistajat voivat tulla laboratorioon ja testata kunkin osan lujuutta, luotettavuutta ja mikrorakennetta ennen validointia, prosessia, joka tunnetaan nimellä non-destructive testing (NDT).Tämä voi kuitenkin olla sekä aikaa vievää että kallista, joten perimmäisenä tavoitteena on vähentää näiden testien tarvetta.NASA perusti äskettäin tätä ongelmaa käsittelevän keskuksen, joka keskittyi lisäainevalmistuksen avulla valmistettujen metalliosien nopeaan sertifiointiin.Keskus pyrkii käyttämään digitaalisia kaksosia tuotteiden tietokonemallien parantamiseen, mikä auttaa insinöörejä ymmärtämään paremmin osien suorituskykyä ja rajoituksia, mukaan lukien kuinka paljon painetta ne kestävät ennen murtumista.Keskus toivoo tällä tavoin edistävänsä 3D-tulostuksen soveltamista ilmailuteollisuudessa, mikä tekee siitä tehokkaamman kilpailemaan perinteisten valmistustekniikoiden kanssa.
Nämä komponentit on läpikäynyt kattavan luotettavuus- ja lujuustestauksen.
Toisaalta varmennusprosessi on erilainen, jos valmistus tapahtuu avaruudessa.ESAn Advenit Makaya selittää: "On olemassa tekniikka, joka sisältää osien analysoinnin tulostuksen aikana."Tämä menetelmä auttaa määrittämään, mitkä painotuotteet sopivat ja mitkä eivät.Lisäksi avaruuteen tarkoitettuihin 3D-tulostimiin on olemassa itsekorjaava järjestelmä, jota testataan metallikoneilla.Tämä järjestelmä voi tunnistaa mahdolliset virheet valmistusprosessissa ja muuttaa automaattisesti parametrejaan korjatakseen osan viat.Näiden kahden järjestelmän odotetaan parantavan painotuotteiden luotettavuutta avaruudessa.
NASA ja ESA ovat luoneet standardit 3D-tulostusratkaisujen validoimiseksi.Nämä standardit sisältävät sarjan testejä osien luotettavuuden määrittämiseksi.He harkitsevat jauhepetifuusioteknologiaa ja päivittävät niitä muita prosesseja varten.Kuitenkin monet materiaaliteollisuuden suuret toimijat, kuten Arkema, BASF, Dupont ja Sabic, tarjoavat myös tämän jäljitettävyyden.
Avaruudessa asuminen?
3D-tulostustekniikan edistymisen myötä olemme nähneet maapallolla monia onnistuneita projekteja, joissa tätä tekniikkaa käytetään talojen rakentamiseen.Tämä saa meidät miettimään, voidaanko tätä prosessia käyttää lähi- tai kaukaisessa tulevaisuudessa asuttavien rakenteiden rakentamiseen avaruuteen.Vaikka avaruudessa eläminen on tällä hetkellä epärealistista, talojen rakentaminen, erityisesti kuuhun, voi olla hyödyllistä astronauteille avaruustehtävissä.Euroopan avaruusjärjestön (ESA) tavoitteena on rakentaa kuuhun kupolia käyttämällä kuun regoliittia, jonka avulla voidaan rakentaa seiniä tai tiiliä astronauttien suojaamiseksi säteilyltä.ESA:n Advenit Makayan mukaan kuun regoliitti koostuu noin 60 %:sta metallista ja 40 %:sta happea ja on välttämätön materiaali astronautin selviytymiselle, koska se voi tarjota loputtoman hapen lähteen, jos se uutetaan tästä materiaalista.
NASA on myöntänyt ICONille 57,2 miljoonan dollarin apurahan 3D-tulostusjärjestelmän kehittämiseen kuun pinnalla olevien rakenteiden rakentamiseen ja tekee myös yhteistyötä yrityksen kanssa Mars Dune Alpha -elinympäristön luomiseksi.Tavoitteena on testata Marsin elinolosuhteita antamalla vapaaehtoisia asua elinympäristössä vuoden ajan ja simuloida olosuhteita Punaisella planeetalla.Nämä ponnistelut edustavat kriittisiä askeleita kohti suoraan 3D-tulostettujen rakenteiden rakentamista Kuuhun ja Marsiin, mikä voisi lopulta tasoittaa tietä ihmisen avaruuden kolonisaatiolle.
Kaukaisessa tulevaisuudessa nämä talot voisivat mahdollistaa elämän selviytymisen avaruudessa.
Postitusaika: 14.6.2023