Od 20. století je lidstvo fascinováno objevováním vesmíru a pochopením toho, co leží za hranicemi Země. V popředí výzkumu vesmíru stojí velké organizace, jako jsou NASA a ESA, a dalším důležitým hráčem v tomto úsilí je 3D tisk. Díky schopnosti rychle vyrábět složité součásti s nízkými náklady se tato konstrukční technologie stává ve firmách stále populárnější. Umožňuje vytváření mnoha aplikací, jako jsou satelity, skafandry a raketové komponenty. Podle společnosti SmarTech se očekává, že tržní hodnota aditivní výroby v soukromém kosmickém průmyslu dosáhne do roku 2026 2,1 miliardy eur. To vyvolává otázku: Jak může 3D tisk pomoci lidem vyniknout ve vesmíru?
Zpočátku se 3D tisk používal hlavně pro rychlé prototypování v lékařství, automobilovém a leteckém průmyslu. S rozšířením této technologie se však stále častěji používá i pro finální součástky. Technologie aditivní výroby kovů, zejména L-PBF, umožnila výrobu různých kovů s vlastnostmi a odolností vhodnými pro extrémní vesmírné podmínky. Při výrobě leteckých součástek se používají i další technologie 3D tisku, jako je DED, tryskové nanášení pojiva a extruzní proces. V posledních letech se objevily nové obchodní modely, kdy společnosti jako Made in Space a Relativity Space využívají technologii 3D tisku k návrhu leteckých součástek.
Relativity Space vyvíjí 3D tiskárnu pro letecký průmysl
Technologie 3D tisku v leteckém průmyslu
Nyní, když jsme si je představili, se podívejme blíže na různé technologie 3D tisku používané v leteckém průmyslu. Nejprve je třeba poznamenat, že aditivní výroba kovů, zejména L-PBF, je v této oblasti nejrozšířenější. Tento proces zahrnuje použití laserové energie k tavení kovového prášku vrstvu po vrstvě. Je vhodný zejména pro výrobu malých, složitých, přesných a zakázkových dílů. Výrobci v leteckém průmyslu mohou také těžit z DED, která zahrnuje nanášení kovového drátu nebo prášku a používá se hlavně k opravám, povlakování nebo výrobě zakázkových kovových nebo keramických dílů.
Naproti tomu tryskové lisování pojivem, ačkoli je výhodné z hlediska rychlosti výroby a nízkých nákladů, není vhodné pro výrobu vysoce výkonných mechanických dílů, protože vyžaduje následné zpevňovací kroky, které prodlužují dobu výroby konečného produktu. Technologie extruze je účinná i v kosmickém prostředí. Je třeba poznamenat, že ne všechny polymery jsou vhodné pro použití ve vesmíru, ale vysoce výkonné plasty, jako je PEEK, mohou díky své pevnosti nahradit některé kovové díly. Tento proces 3D tisku však stále není příliš rozšířený, ale může se stát cenným přínosem pro průzkum vesmíru díky využití nových materiálů.
Laserová fúze v práškovém loži (L-PBF) je široce používaná technologie v 3D tisku pro letecký průmysl.
Potenciál vesmírných materiálů
Letecký a kosmický průmysl zkoumá nové materiály pomocí 3D tisku a navrhuje inovativní alternativy, které by mohly narušit trh. Zatímco kovy, jako je titan, hliník a slitiny niklu a chromu, byly vždy hlavním zaměřením, nový materiál by mohl brzy získat pozornost: lunární regolit. Lunární regolit je vrstva prachu pokrývající Měsíc a ESA prokázala výhody jeho kombinace s 3D tiskem. Advenit Makaya, hlavní výrobní inženýr ESA, popisuje lunární regolit jako podobný betonu, primárně složený z křemíku a dalších chemických prvků, jako je železo, hořčík, hliník a kyslík. ESA se spojila se společností Lithoz na výrobě malých funkčních součástí, jako jsou šrouby a ozubená kola, s použitím simulovaného lunárního regolitu s vlastnostmi podobnými skutečnému měsíčnímu prachu.
Většina procesů výroby lunárního regolitu využívá teplo, díky čemuž je kompatibilní s technologiemi, jako je SLS a práškové tiskové roztoky. ESA také používá technologii D-Shape s cílem vyrábět pevné díly smícháním chloridu hořečnatého s materiály a jeho kombinací s oxidem hořečnatým, který se nachází v simulovaném vzorku. Jednou z významných výhod tohoto měsíčního materiálu je jeho jemnější rozlišení tisku, které umožňuje vyrábět díly s nejvyšší přesností. Tato vlastnost by se mohla stát hlavním přínosem pro rozšíření škály aplikací a výroby komponentů pro budoucí lunární základny.
Lunární regolit je všude
Existuje také marťanský regolit, což je podpovrchový materiál nalezený na Marsu. Mezinárodní vesmírné agentury v současné době nemohou tento materiál získat, ale to vědcům nezabránilo v výzkumu jeho potenciálu v určitých leteckých a kosmických projektech. Výzkumníci používají simulované vzorky tohoto materiálu a kombinují ho s titanovou slitinou k výrobě nástrojů nebo raketových komponentů. První výsledky naznačují, že tento materiál poskytne vyšší pevnost a ochrání zařízení před rezivěním a poškozením zářením. Přestože tyto dva materiály mají podobné vlastnosti, lunární regolit je stále nejvíce testovaným materiálem. Další výhodou je, že tyto materiály lze vyrábět na místě bez nutnosti přepravovat suroviny ze Země. Regolit je navíc nevyčerpatelným zdrojem materiálu, což pomáhá předcházet jeho nedostatku.
Aplikace technologie 3D tisku v leteckém průmyslu
Aplikace technologie 3D tisku v leteckém průmyslu se může lišit v závislosti na konkrétním použitém procesu. Například laserová prášková fúze (L-PBF) může být použita k výrobě složitých krátkodobých dílů, jako jsou nástrojové systémy nebo náhradní díly pro vesmírné účely. Kalifornský startup Launcher použil technologii 3D tisku safír-kov od společnosti Velo3D k vylepšení svého raketového motoru na kapalné palivo E-2. Výrobcova metoda byla použita k vytvoření indukční turbíny, která hraje klíčovou roli v urychlování a vhánění kapalného kyslíku (LOX) do spalovací komory. Turbína i senzor byly vytištěny pomocí technologie 3D tisku a následně smontovány. Tato inovativní součást poskytuje raketě větší průtok kapaliny a větší tah, což z ní činí nezbytnou součást motoru.
Velo3D přispěl k využití technologie PBF při výrobě raketového motoru na kapalné palivo E-2.
Aditivní výroba má široké uplatnění, včetně výroby malých i velkých konstrukcí. Například technologie 3D tisku, jako je řešení Stargate od společnosti Relativity Space, lze použít k výrobě velkých dílů, jako jsou palivové nádrže raket a lopatky vrtulí. Společnost Relativity Space to dokázala úspěšnou výrobou rakety Terran 1, která byla téměř kompletně vytištěna na 3D tiskárně, včetně několikametrové palivové nádrže. Její první start 23. března 2023 prokázal efektivitu a spolehlivost procesů aditivní výroby.
Technologie 3D tisku založená na extruzi umožňuje také výrobu dílů s použitím vysoce výkonných materiálů, jako je PEEK. Součásti vyrobené z tohoto termoplastu již byly testovány ve vesmíru a byly umístěny na roveru Rashid v rámci lunární mise SAE. Účelem tohoto testu bylo vyhodnotit odolnost PEEK vůči extrémním lunárním podmínkám. Pokud bude test úspěšný, PEEK by mohl být schopen nahradit kovové díly v situacích, kdy se kovové díly zlomí nebo jsou materiály nedostatkové. Kromě toho by lehké vlastnosti PEEK mohly být cenné při průzkumu vesmíru.
Technologie 3D tisku může být použita k výrobě různých dílů pro letecký průmysl.
Výhody 3D tisku v leteckém průmyslu
Mezi výhody 3D tisku v leteckém průmyslu patří zlepšený konečný vzhled dílů ve srovnání s tradičními konstrukčními technikami. Johannes Homa, generální ředitel rakouského výrobce 3D tiskáren Lithoz, uvedl, že „tato technologie činí díly lehčími“. Díky svobodě designu jsou 3D tištěné výrobky efektivnější a vyžadují méně zdrojů. To má pozitivní dopad na dopad výroby dílů na životní prostředí. Společnost Relativity Space prokázala, že aditivní výroba může výrazně snížit počet komponent potřebných k výrobě kosmické lodi. U rakety Terran 1 se ušetřilo 100 dílů. Tato technologie má navíc značné výhody v rychlosti výroby, raketa je dokončena za méně než 60 dní. Naproti tomu výroba rakety tradičními metodami by mohla trvat několik let.
Pokud jde o správu zdrojů, 3D tisk může šetřit materiály a v některých případech dokonce umožnit recyklaci odpadu. A konečně, aditivní výroba se může stát cenným přínosem pro snížení vzletové hmotnosti raket. Cílem je maximalizovat využití místních materiálů, jako je regolit, a minimalizovat přepravu materiálů v kosmické lodi. To umožňuje nosit s sebou pouze 3D tiskárnu, která dokáže vše vytvořit na místě po cestě.
Společnost Made in Space již vyslala jednu ze svých 3D tiskáren do vesmíru k testování.
Omezení 3D tisku ve vesmíru
Přestože má 3D tisk mnoho výhod, tato technologie je stále relativně nová a má svá omezení. Advenit Makaya uvedl: „Jedním z hlavních problémů aditivní výroby v leteckém průmyslu je řízení a validace procesů.“ Výrobci mohou vstoupit do laboratoře a před validací otestovat pevnost, spolehlivost a mikrostrukturu každého dílu, což je proces známý jako nedestruktivní testování (NDT). To však může být časově náročné i drahé, takže konečným cílem je snížit potřebu těchto testů. NASA nedávno zřídila centrum pro řešení tohoto problému, zaměřené na rychlou certifikaci kovových součástí vyrobených aditivní výrobou. Centrum si klade za cíl využívat digitální dvojčata ke zlepšení počítačových modelů výrobků, což pomůže inženýrům lépe pochopit výkon a omezení dílů, včetně toho, jak velký tlak mohou vydržet, než se zlomí. Centrum doufá, že tím pomůže podpořit aplikaci 3D tisku v leteckém průmyslu a zefektivní jeho konkurenci s tradičními výrobními technikami.
Tyto komponenty prošly komplexními testy spolehlivosti a pevnosti.
Na druhou stranu je proces ověřování jiný, pokud se výroba provádí ve vesmíru. Advenit Makaya z ESA vysvětluje: „Existuje technika, která zahrnuje analýzu dílů během tisku.“ Tato metoda pomáhá určit, které tištěné produkty jsou vhodné a které ne. Kromě toho existuje systém samokorekce pro 3D tiskárny určené pro vesmír, který se testuje na kovových strojích. Tento systém dokáže identifikovat potenciální chyby ve výrobním procesu a automaticky upravit jeho parametry tak, aby opravil jakékoli vady v dílu. Očekává se, že tyto dva systémy zlepší spolehlivost tištěných produktů ve vesmíru.
Pro validaci 3D tiskových řešení zavedly NASA a ESA standardy. Tyto standardy zahrnují řadu testů k určení spolehlivosti součástí. Zohledňují technologii práškového lože a aktualizují je pro další procesy. Mnoho významných hráčů v materiálovém průmyslu, jako jsou Arkema, BASF, Dupont a Sabic, však tuto sledovatelnost také poskytuje.
Život ve vesmíru?
S pokrokem technologie 3D tisku jsme na Zemi svědky mnoha úspěšných projektů, které tuto technologii využívají ke stavbě domů. To nás vede k otázce, zda by tento proces mohl být v blízké či vzdálené budoucnosti využit k výstavbě obyvatelných struktur ve vesmíru. I když je život ve vesmíru v současnosti nereálný, stavba domů, zejména na Měsíci, může být pro astronauty přínosná při provádění vesmírných misí. Cílem Evropské kosmické agentury (ESA) je stavět na Měsíci kopule s použitím lunárního regolitu, který lze použít ke stavbě zdí nebo cihel chránících astronauty před radiací. Podle Advenita Makayi z ESA se lunární regolit skládá z přibližně 60 % kovu a 40 % kyslíku a je nezbytným materiálem pro přežití astronautů, protože pokud je z tohoto materiálu extrahován, může poskytnout nekonečný zdroj kyslíku.
NASA udělila společnosti ICON grant ve výši 57,2 milionu dolarů na vývoj 3D tiskového systému pro stavbu konstrukcí na měsíčním povrchu a také s touto společností spolupracuje na vytvoření prostředí Mars Dune Alpha. Cílem je otestovat životní podmínky na Marsu tím, že dobrovolníci budou po dobu jednoho roku žít v prostředí simulujícím podmínky na rudé planetě. Toto úsilí představuje klíčové kroky k přímé konstrukci 3D tištěných struktur na Měsíci a Marsu, což by nakonec mohlo připravit cestu pro kolonizaci vesmíru lidskou posádkou.
V daleké budoucnosti by tyto domy mohly umožnit přežití života ve vesmíru.
Čas zveřejnění: 14. června 2023
