Od 20. století je lidská rasa fascinována zkoumáním vesmíru a pochopením toho, co leží mimo Zemi.Velké organizace jako NASA a ESA stály v popředí vesmírného průzkumu a dalším důležitým hráčem v tomto dobývání je 3D tisk.Díky schopnosti rychle vyrábět složité díly při nízkých nákladech je tato konstrukční technologie ve firmách stále oblíbenější.Umožňuje vytváření mnoha aplikací, jako jsou satelity, skafandry a součásti raket.Ve skutečnosti se podle SmarTech očekává, že tržní hodnota soukromé aditivní výroby v kosmickém průmyslu do roku 2026 dosáhne 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 lékařském, automobilovém a leteckém průmyslu.Jak se však tato technologie rozšířila, stále více se používá pro komponenty pro konečné použití.Technologie výroby kovových přísad, zejména L-PBF, umožnila výrobu různých kovů s vlastnostmi a trvanlivostí vhodnou pro extrémní vesmírné podmínky.Při výrobě komponentů pro letectví a kosmonautiku se používají i další technologie 3D tisku, jako je DED, pojivo jetting a proces vytlačování.V posledních letech se objevily nové obchodní modely, kdy společnosti jako Made in Space a Relativity Space využívají technologii 3D tisku k navrhování leteckých součástí.
Relativity Space vyvíjí 3D tiskárnu pro letecký průmysl
Technologie 3D tisku v letectví
Nyní, když jsme je představili, pojďme se blíže podívat na různé technologie 3D tisku používané v leteckém průmyslu.Za prvé je třeba poznamenat, že výroba aditivních kovů, zejména L-PBF, je v této oblasti nejrozšířenější.Tento proces zahrnuje použití laserové energie k roztavení kovového prášku vrstvu po vrstvě.Je zvláště vhodný pro výrobu malých, složitých, přesných a přizpůsobených dílů.Výrobci letectví a kosmonautiky mohou také těžit z DED, který zahrnuje nanášení kovového drátu nebo prášku a používá se hlavně pro opravy, nátěry nebo výrobu kovových nebo keramických dílů na míru.
Naproti tomu tryskání pojiva, i když je výhodné z hlediska rychlosti výroby a nízkých nákladů, není vhodné pro výrobu vysoce výkonných mechanických dílů, protože vyžaduje zpevňovací kroky po zpracování, které prodlužují dobu výroby konečného produktu.Technologie vytlačování je účinná i ve vesmírném 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 části.Tento proces 3D tisku však stále není příliš rozšířený, ale díky použití nových materiálů se může stát cenným přínosem pro průzkum vesmíru.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) je široce používaná technologie v 3D tisku pro letectví a kosmonautiku.
Potenciál vesmírných materiálů
Letecký průmysl zkoumá nové materiály prostřednictvím 3D tisku a navrhuje inovativní alternativy, které mohou narušit trh.Zatímco kovy jako titan, hliník a slitiny niklu a chromu byly vždy hlavním středem zájmu, nový materiál může brzy ukrást pozornost: lunární regolit.Lunární regolit je vrstva prachu pokrývající Měsíc a ESA prokázala výhody jeho kombinace s 3D tiskem.Advenit Makaya, vedoucí 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 s Lithoz na výrobu malých funkčních dílů, jako jsou šrouby a ozubená kola, pomocí simulovaného lunárního regolitu s vlastnostmi podobnými skutečnému měsíčnímu prachu.
Většina procesů zapojených do výroby lunárního regolitu využívá teplo, díky čemuž je kompatibilní s technologiemi, jako je SLS a tisková řešení s práškovým lepením.ESA také používá technologii D-Shape s cílem vyrábět pevné díly smícháním chloridu hořečnatého s materiály a jeho kombinací s oxidem hořečnatým nalezeným v simulovaném vzorku.Jednou z významných výhod tohoto měsíčního materiálu je jeho jemnější rozlišení tisku, které umožňuje vyrábět díly s nejvyšší přesností.Tato funkce by se mohla stát primárním přínosem při rozšiřování škály aplikací a výroby komponent pro budoucí měsíční základny.
Lunární Regolit je všude
Existuje také marťanský regolit, odkazující na podpovrchový materiál nalezený na Marsu.V současné době nemohou mezinárodní kosmické agentury tento materiál získat zpět, ale to vědcům nezabránilo ve zkoumání jeho potenciálu v určitých leteckých projektech.Výzkumníci používají simulované vzorky tohoto materiálu a kombinují jej s titanovou slitinou k výrobě nástrojů nebo součástí raket.První výsledky naznačují, že tento materiál poskytne vyšší pevnost a ochrání zařízení před korozí a poškozením zářením.Přestože tyto dva materiály mají podobné vlastnosti, stále je nejvíce testovaným materiálem lunární regolit.Další výhodou je, že tyto materiály lze vyrábět na místě bez nutnosti přepravy surovin ze Země.Regolit je navíc nevyčerpatelným materiálním zdrojem, který pomáhá předcházet nedostatku.
Aplikace technologie 3D tisku v leteckém průmyslu
Aplikace technologie 3D tisku v leteckém průmyslu se mohou 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 vesmírné náhradní díly.Launcher, startup se sídlem v Kalifornii, použil technologii 3D tisku Velo3D z safírového kovu k vylepšení svého kapalného raketového motoru E-2.Postup výrobce byl použit k vytvoření indukční turbíny, která hraje zásadní roli při urychlování a vhánění LOX (kapalného kyslíku) do spalovací komory.Turbína a senzor byly vytištěny pomocí technologie 3D tisku a poté sestaveny.Tato inovativní součást poskytuje raketě větší průtok kapaliny a větší tah, což z ní dělá nezbytnou součást motoru
Velo3D přispěl k použití technologie PBF při výrobě kapalného raketového motoru E-2.
Aditivní výroba má široké uplatnění, včetně výroby malých a velkých konstrukcí.Například technologie 3D tisku, jako je řešení Stargate společnosti Relativity Space, lze použít k výrobě velkých dílů, jako jsou palivové nádrže raket a listy vrtule.Relativity Space to prokázala úspěšnou výrobou Terran 1, téměř výhradně 3D tištěné rakety, včetně několik metrů dlouhé palivové nádrže.Jeho první spuštění dne 23. března 2023 prokázalo efektivitu a spolehlivost aditivních výrobních procesů.
Technologie 3D tisku založená na vytlačování také umožňuje výrobu dílů s použitím vysoce výkonných materiálů, jako je PEEK.Komponenty vyrobené z tohoto termoplastu již byly testovány ve vesmíru a byly umístěny na rover Rashid v rámci lunární mise SAE.Účelem tohoto testu bylo vyhodnotit odolnost PEEK vůči extrémním lunárním podmínkám.Pokud bude úspěšný, může být PEEK schopen vyměnit kovové části v situacích, kdy se kovové části rozbijí nebo je nedostatek materiálů.Navíc lehké vlastnosti PEEK mohou 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 dělá díly lehčími“.Díky svobodě návrhu jsou 3D tištěné produkty efektivnější a vyžadují méně zdrojů.To má pozitivní dopad na environmentální dopad výroby dílů.Relativity Space ukázal, že aditivní výroba může výrazně snížit počet komponent potřebných k výrobě kosmických lodí.U rakety Terran 1 bylo ušetřeno 100 dílů.Tato technologie má navíc značné výhody v rychlosti výroby, kdy je raketa dokončena za méně než 60 dní.Naproti tomu výroba rakety tradičními metodami může trvat několik let.
Pokud jde o správu zdrojů, 3D tisk může šetřit materiály a v některých případech dokonce umožnit recyklaci odpadu.Konečně, aditivní výroba se může stát cenným přínosem pro snížení vzletové hmotnosti raket.Cílem je maximalizovat využití místních materiálů, jako je regolit, a minimalizovat transport materiálů v rámci kosmické lodi.Díky tomu je možné mít s sebou pouze 3D tiskárnu, která dokáže vše vytvořit na místě po cestě.
Made in Space již vyslalo jednu ze svých 3D tiskáren do vesmíru k testování.
Omezení 3D tisku ve vesmíru
Přestože má 3D tisk mnoho výhod, technologie je stále relativně nová a má svá omezení.Advenit Makaya uvedl: "Jedním z hlavních problémů aditivní výroby v leteckém průmyslu je kontrola a ověřování procesů."Výrobci mohou vstoupit do laboratoře a otestovat pevnost, spolehlivost a mikrostrukturu každého dílu před validací, což je proces známý jako nedestruktivní testování (NDT).To však může být časově i finančně náročné, takže konečným cílem je snížit potřebu těchto testů.NASA nedávno založila centrum pro řešení tohoto problému, zaměřené na rychlou certifikaci kovových součástek vyráběných aditivní výrobou.Cílem centra je využít digitální dvojčata ke zlepšení počítačových modelů produktů, což inženýrům pomůže lépe porozumět výkonu a omezením dílů, včetně toho, jak velkému tlaku mohou odolat, než se zlomí.Centrum doufá, že tím pomůže propagovat aplikaci 3D tisku v leteckém průmyslu, čímž se stane efektivnější v konkurenci s tradičními výrobními technikami.
Tyto komponenty prošly komplexním testováním spolehlivosti a pevnosti.
Na druhou stranu je proces ověřování odlišný, 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.Navíc existuje samoopravný systém pro 3D tiskárny určený do vesmíru a testuje se na kovových strojích.Tento systém dokáže identifikovat potenciální chyby ve výrobním procesu a automaticky upravit jeho parametry tak, aby opravily případné vady dílu.Očekává se, že tyto dva systémy zlepší spolehlivost tištěných produktů ve vesmíru.
Pro ověření řešení 3D tisku zavedly NASA a ESA standardy.Tyto normy zahrnují řadu testů k určení spolehlivosti dílů.Zvažují technologii fúze práškového lože a aktualizují je pro další procesy.Tuto sledovatelnost však poskytuje také mnoho hlavních hráčů v materiálovém průmyslu, jako je Arkema, BASF, Dupont a Sabic.
Žít ve vesmíru?
S pokrokem technologie 3D tisku jsme na Zemi viděli mnoho úspěšných projektů, které tuto technologii využívají ke stavbě domů.To nás nutí přemýšlet, zda by tento proces mohl být použit v blízké nebo vzdálené budoucnosti ke konstrukci obyvatelných struktur ve vesmíru.Zatímco život ve vesmíru je v současné době nereálný, stavba domů, zejména na Měsíci, může být pro astronauty přínosem při provádění vesmírných misí.Cílem Evropské vesmírné agentury (ESA) je postavit na Měsíci kopule pomocí lunárního regolitu, který lze použít ke stavbě zdí nebo cihel, které chrání astronauty před radiací.Podle Advenita Makaya z ESA se lunární regolit skládá z asi 60 % kovu a 40 % kyslíku a je nezbytným materiálem pro přežití astronautů, protože může poskytnout nekonečný zdroj kyslíku, pokud je extrahován z tohoto materiálu.
NASA udělila ICON grant ve výši 57,2 milionů dolarů na vývoj 3D tiskového systému pro budování struktur na měsíčním povrchu a také spolupracuje se společností na vytvoření stanoviště Mars Dune Alpha.Cílem je otestovat životní podmínky na Marsu tím, že dobrovolníci budou žít v biotopu po dobu jednoho roku, simulujíc podmínky na Rudé planetě.Toto úsilí představuje kritické kroky směrem k přímé konstrukci 3D tištěných struktur na Měsíci a Marsu, které by nakonec mohly připravit cestu pro lidskou kolonizaci vesmíru.
Ve vzdálené budoucnosti by tyto domy mohly umožnit přežití života ve vesmíru.
Čas odeslání: 14. června 2023