Ekde la 20-a jarcento, la homaro estas fascinita de esplorado de la kosmo kaj kompreno pri tio, kio kuŝas preter la Tero. Gravaj organizaĵoj kiel NASA kaj ESA estis ĉe la avangardo de kosma esplorado, kaj alia grava ludanto en ĉi tiu konkero estas 3D-presado. Kun la kapablo rapide produkti kompleksajn partojn je malalta kosto, ĉi tiu dezajnteknologio fariĝas ĉiam pli populara en kompanioj. Ĝi ebligas la kreadon de multaj aplikoj, kiel satelitoj, kosmovestoj kaj raketaj komponantoj. Fakte, laŭ SmarTech, la merkata valoro de aldona fabrikado en la privata kosma industrio estas atendata atingi 2,1 miliardojn da eŭroj antaŭ 2026. Ĉi tio levas la demandon: Kiel 3D-presado povas helpi homojn elstari en la kosmo?
Komence, 3D-presado estis ĉefe uzata por rapida prototipado en la medicina, aŭtomobila kaj aerspaca industrioj. Tamen, ĉar la teknologio fariĝis pli disvastiĝinta, ĝi estas uzata pli kaj pli por fincelaj komponantoj. Metala aldona fabrikada teknologio, precipe L-PBF, ebligis la produktadon de diversaj metaloj kun karakterizaĵoj kaj daŭreco taŭgaj por ekstremaj spacaj kondiĉoj. Aliaj 3D-presaj teknologioj, kiel DED, ligiloŝprucado kaj eltrudadprocezo, ankaŭ estas uzataj en la fabrikado de aerspacaj komponantoj. En la lastaj jaroj, novaj komercmodeloj aperis, kun kompanioj kiel Made in Space kaj Relativity Space uzantaj 3D-presan teknologion por desegni aerspacajn komponantojn.
Relativity Space disvolvas 3D-printilon por la aerspaca industrio
3D-presada teknologio en aerospaco
Nun kiam ni prezentis ilin, ni rigardu pli detale la diversajn 3D-presajn teknologiojn uzatajn en la aerspaca industrio. Unue, oni notu, ke metala aldona fabrikado, precipe L-PBF, estas la plej vaste uzata en ĉi tiu kampo. Ĉi tiu procezo implikas la uzon de lasera energio por kunfandi metalan pulvoron tavolo post tavolo. Ĝi estas aparte taŭga por produkti malgrandajn, kompleksajn, precizajn kaj personecigitajn partojn. Aerspacaj fabrikantoj ankaŭ povas profiti de DED, kiu implikas la deponadon de metala drato aŭ pulvoro kaj estas ĉefe uzata por ripari, tegi aŭ produkti personecigitajn metalajn aŭ ceramikajn partojn.
Kontraste, bindaĵo-ŝprucado, kvankam avantaĝa laŭ produktadrapideco kaj malalta kosto, ne taŭgas por produkti alt-efikecajn mekanikajn partojn, ĉar ĝi postulas post-prilaborajn fortigajn paŝojn, kiuj plilongigas la fabrikadtempon de la fina produkto. Eltruda teknologio ankaŭ estas efika en la kosma medio. Notindas, ke ne ĉiuj polimeroj taŭgas por uzo en la kosmo, sed alt-efikecaj plastoj kiel PEEK povas anstataŭigi iujn metalpartojn pro sia forto. Tamen, ĉi tiu 3D-presada procezo ankoraŭ ne estas tre disvastigita, sed ĝi povas fariĝi valora aktivaĵo por kosma esplorado per uzado de novaj materialoj.
Lasera Pulvora Litfuzio (L-PBF) estas vaste uzata teknologio en 3D-presado por aerospaco.
Potencialo de Spacaj Materialoj
La aerspaca industrio esploras novajn materialojn per 3D-presado, proponante novigajn alternativojn, kiuj povus interrompi la merkaton. Dum metaloj kiel titanio, aluminio kaj nikelo-kromaj alojoj ĉiam estis la ĉefa fokuso, nova materialo baldaŭ povus ŝteli la spotlumon: luna regolito. Luna regolito estas tavolo de polvo kovranta la lunon, kaj ESA montris la avantaĝojn de kombinado de ĝi kun 3D-presado. Advenit Makaya, altranga fabrikada inĝeniero de ESA, priskribas lunan regoliton kiel similan al betono, ĉefe konsistanta el silicio kaj aliaj kemiaj elementoj kiel fero, magnezio, aluminio kaj oksigeno. ESA partneriĝis kun Lithoz por produkti malgrandajn funkciajn partojn kiel ŝraŭbojn kaj dentradojn uzante simulitan lunan regoliton kun ecoj similaj al reala luna polvo.
La plej multaj el la procezoj uzataj en la fabrikado de luna regolito uzas varmon, kio igas ĝin kongrua kun teknologioj kiel SLS kaj pulvorligaj pressolvoj. ESA ankaŭ uzas D-forman teknologion kun la celo produkti solidajn partojn miksante magnezian kloridon kun materialoj kaj kombinante ĝin kun magnezia oksido trovita en la simulita specimeno. Unu el la signifaj avantaĝoj de ĉi tiu luna materialo estas ĝia pli fajna presrezolucio, kiu ebligas al ĝi produkti partojn kun la plej alta precizeco. Ĉi tiu trajto povus fariĝi la ĉefa valoraĵo por vastigi la gamon de aplikoj kaj fabrikado de komponantoj por estontaj lunaj bazoj.
Luna Regolito estas Ĉie
Ekzistas ankaŭ marsa regolito, rilatante al subtera materialo trovita sur Marso. Nuntempe, internaciaj kosmaj agentejoj ne povas reakiri ĉi tiun materialon, sed tio ne malhelpis sciencistojn esplori ĝian potencialon en certaj aerspacaj projektoj. Esploristoj uzas simulitajn specimenojn de ĉi tiu materialo kaj kombinas ĝin kun titana alojo por produkti ilojn aŭ raketajn komponantojn. Komencaj rezultoj indikas, ke ĉi tiu materialo provizos pli altan forton kaj protektos ekipaĵon kontraŭ rusto kaj radiada damaĝo. Kvankam ĉi tiuj du materialoj havas similajn ecojn, luna regolito estas ankoraŭ la plej testita materialo. Alia avantaĝo estas, ke ĉi tiuj materialoj povas esti fabrikitaj surloke sen la bezono transporti krudmaterialojn de la Tero. Krome, regolito estas neelĉerpebla materialfonto, helpante malhelpi malabundecon.
La aplikoj de 3D-presada teknologio en la aerspaca industrio
La aplikoj de 3D-presada teknologio en la aerspaca industrio povas varii depende de la specifa uzata procezo. Ekzemple, lasera pulvora lita fuzio (L-PBF) povas esti uzata por fabriki komplikajn mallongdaŭrajn partojn, kiel ilsistemojn aŭ spacajn rezervajn partojn. Launcher, Kalifornia noventrepreno, uzis la safir-metalan 3D-presadan teknologion de Velo3D por plibonigi sian likvan raketmotoron E-2. La procezo de la fabrikanto estis uzata por krei la induktan turbinon, kiu ludas gravan rolon en akcelo kaj veturado de LOX (likva oksigeno) en la brulkameron. La turbino kaj sensilo estis ĉiu presitaj per 3D-presada teknologio kaj poste kunmetitaj. Ĉi tiu noviga komponanto provizas al la raketo pli grandan fluidfluon kaj pli grandan puŝon, igante ĝin esenca parto de la motoro.
Velo3D kontribuis al la uzo de PBF-teknologio en la fabrikado de la likva raketmotoro E-2.
Aldona fabrikado havas larĝajn aplikojn, inkluzive de la produktado de malgrandaj kaj grandaj strukturoj. Ekzemple, 3D-presaj teknologioj kiel la Stargate-solvo de Relativity Space povas esti uzataj por fabriki grandajn partojn kiel raketo-fuelujojn kaj helicklingojn. Relativity Space pruvis tion per la sukcesa produktado de la Terran 1, preskaŭ tute 3D-presita raketo, inkluzive de plurmetra longa fuelujo. Ĝia unua lanĉo la 23-an de marto 2023 montris la efikecon kaj fidindecon de aldonaj fabrikadaj procezoj.
Ekstrudaĵ-bazita 3D-presada teknologio ankaŭ ebligas la produktadon de partoj uzante alt-efikecajn materialojn kiel PEEK. Komponantoj faritaj el ĉi tiu termoplastaĵo jam estis testitaj en la kosmo kaj estis metitaj sur la esplorveturilon Rashid kiel parto de la luna misio de UAE. La celo de ĉi tiu testo estis taksi la reziston de PEEK al ekstremaj lunaj kondiĉoj. Se sukcesa, PEEK eble povos anstataŭigi metalajn partojn en situacioj kie metalaj partoj rompiĝas aŭ materialoj estas malabundaj. Krome, la malpezaj ecoj de PEEK povus esti valoraj en kosmoesplorado.
3D-presada teknologio povas esti uzata por fabriki diversajn partojn por la aerspaca industrio.
Avantaĝoj de 3D-presado en la aerspaca industrio
Avantaĝoj de 3D-presado en la aerspaca industrio inkluzivas plibonigitan finan aspekton de partoj kompare kun tradiciaj konstruteknikoj. Johannes Homa, ĉefoficisto de la aŭstra fabrikisto de 3D-printiloj Lithoz, deklaris, ke "ĉi tiu teknologio malpezigas partojn." Pro dezajna libereco, 3D-presitaj produktoj estas pli efikaj kaj postulas malpli da rimedoj. Ĉi tio havas pozitivan efikon sur la median efikon de partproduktado. Relativity Space montris, ke aldona fabrikado povas signife redukti la nombron de komponantoj necesaj por fabriki kosmoŝipojn. Por la raketo Terran 1, 100 partoj estis ŝparitaj. Krome, ĉi tiu teknologio havas signifajn avantaĝojn rilate al produktadrapideco, ĉar la raketo estas kompletigita en malpli ol 60 tagoj. Kontraste, fabrikado de raketo per tradiciaj metodoj povus daŭri plurajn jarojn.
Rilate al rimeda administrado, 3D-presado povas ŝpari materialojn kaj, en iuj kazoj, eĉ ebligi rubrecikladon. Fine, aldona fabrikado povas fariĝi valora aktivaĵo por redukti la deteriĝan pezon de raketoj. La celo estas maksimumigi la uzon de lokaj materialoj, kiel ekzemple regolito, kaj minimumigi la transporton de materialoj ene de kosmoŝipoj. Tio ebligas kunporti nur 3D-printilon, kiu povas krei ĉion surloke post la vojaĝo.
Made in Space jam sendis unu el siaj 3D-printiloj al la kosmo por testado.
Limigoj de 3D-presado en la kosmo
Kvankam 3D-presado havas multajn avantaĝojn, la teknologio estas ankoraŭ relative nova kaj havas limigojn. Advenit Makaya deklaris, "Unu el la ĉefaj problemoj kun aldona fabrikado en la aerspaca industrio estas procezkontrolo kaj validigo." Fabrikistoj povas eniri la laboratorion kaj testi la forton, fidindecon kaj mikrostrukturon de ĉiu parto antaŭ validigo, procezo konata kiel nedestrukta testado (NDT). Tamen, tio povas esti kaj tempopostula kaj multekosta, do la finfina celo estas redukti la bezonon de ĉi tiuj testoj. NASA ĵus establis centron por trakti ĉi tiun problemon, fokusante sur la rapida atestado de metalaj komponantoj fabrikitaj per aldona fabrikado. La centro celas uzi ciferecajn ĝemelojn por plibonigi komputilajn modelojn de produktoj, kio helpos inĝenierojn pli bone kompreni la rendimenton kaj limigojn de partoj, inkluzive de kiom da premo ili povas elteni antaŭ rompiĝo. Farante tion, la centro esperas helpi antaŭenigi la aplikon de 3D-presado en la aerspaca industrio, igante ĝin pli efika en konkurenco kun tradiciaj fabrikadteknikoj.
Ĉi tiuj komponantoj spertis ampleksan fidindecon kaj fortikecon.
Aliflanke, la konfirma procezo estas malsama se la fabrikado okazas en la kosmo. Advenit Makaya de ESA klarigas: "Ekzistas tekniko, kiu implikas analizi la partojn dum presado." Ĉi tiu metodo helpas determini, kiuj presitaj produktoj taŭgas kaj kiuj ne. Krome, ekzistas mem-korekta sistemo por 3D-printiloj destinitaj por la kosmo, kiu estas testata sur metalaj maŝinoj. Ĉi tiu sistemo povas identigi eblajn erarojn en la fabrikada procezo kaj aŭtomate modifi siajn parametrojn por korekti iujn ajn difektojn en la parto. Oni atendas, ke ĉi tiuj du sistemoj plibonigos la fidindecon de presitaj produktoj en la kosmo.
Por validigi 3D-presadajn solvojn, NASA kaj ESA establis normojn. Ĉi tiuj normoj inkluzivas serion da testoj por determini la fidindecon de partoj. Ili konsideras pulvoran litan fandadan teknologion kaj ĝisdatigas ilin por aliaj procezoj. Tamen, multaj gravaj ludantoj en la materialindustrio, kiel Arkema, BASF, Dupont kaj Sabic, ankaŭ provizas ĉi tiun spureblecon.
Vivante en la kosmo?
Kun la progreso de 3D-presada teknologio, ni vidis multajn sukcesajn projektojn sur la Tero, kiuj uzas ĉi tiun teknologion por konstrui domojn. Ĉi tio igas nin demandi, ĉu ĉi tiu procezo povus esti uzata en la proksima aŭ malproksima estonteco por konstrui loĝeblajn strukturojn en la kosmo. Kvankam vivi en la kosmo nuntempe estas nerealisma, konstrui domojn, precipe sur la luno, povas esti utila por astronaŭtoj dum plenumado de kosmomisioj. La celo de la Eŭropa Spacia Agentejo (ESA) estas konstrui kupolojn sur la luno uzante lunan regoliton, kiu povas esti uzata por konstrui murojn aŭ brikojn por protekti astronaŭtojn kontraŭ radiado. Laŭ Advenit Makaya de ESA, luna regolito konsistas el ĉirkaŭ 60% metalo kaj 40% oksigeno kaj estas esenca materialo por la supervivo de astronaŭtoj, ĉar ĝi povas provizi senfinan fonton de oksigeno, se ĝi estas ekstraktita el ĉi tiu materialo.
NASA aljuĝis stipendion de 57,2 milionoj da dolaroj al ICON por disvolvi 3D-presan sistemon por konstrui strukturojn sur la luna surfaco kaj ankaŭ kunlaboras kun la kompanio por krei vivejon Mars Dune Alpha. La celo estas testi la vivkondiĉojn sur Marso per volontuloj loĝantaj en vivejo dum unu jaro, simulante kondiĉojn sur la Ruĝa Planedo. Ĉi tiuj klopodoj reprezentas kritikajn paŝojn al rekta konstruado de 3D-presitaj strukturoj sur la luno kaj Marso, kio povus eventuale pavimi la vojon por homa spackoloniigo.
En la fora estonteco, ĉi tiuj domoj povus ebligi la pluvivi de vivo en la kosmo.
Afiŝtempo: 14-a de junio 2023
