Siden det 20. århundre har menneskeheten vært fascinert av å utforske verdensrommet og forstå hva som ligger utenfor jorden. Store organisasjoner som NASA og ESA har vært i forkant av romutforskningen, og en annen viktig aktør i denne erobringen er 3D-printing. Med muligheten til raskt å produsere komplekse deler til lave kostnader, blir denne designteknologien stadig mer populær i bedrifter. Den gjør det mulig å lage mange applikasjoner, som satellitter, romdrakter og rakettkomponenter. Faktisk forventes markedsverdien av additiv produksjon i den private romfartsindustrien ifølge SmarTech å nå 2,1 milliarder euro innen 2026. Dette reiser spørsmålet: Hvordan kan 3D-printing hjelpe mennesker med å utmerke seg i verdensrommet?
I starten ble 3D-printing hovedsakelig brukt til rask prototyping innen medisin-, bil- og luftfartsindustrien. Etter hvert som teknologien har blitt mer utbredt, brukes den imidlertid i økende grad til komponenter med endelig formål. Metalladditiv produksjonsteknologi, spesielt L-PBF, har muliggjort produksjon av en rekke metaller med egenskaper og holdbarhet som er egnet for ekstreme romforhold. Andre 3D-printingsteknologier, som DED, binderjetting og ekstruderingsprosesser, brukes også i produksjonen av luftfartskomponenter. I de senere årene har nye forretningsmodeller dukket opp, med selskaper som Made in Space og Relativity Space som bruker 3D-printingsteknologi til å designe luftfartskomponenter.
Relativity Space utvikler 3D-printer for romfartsindustrien
3D-printingsteknologi innen luftfart
Nå som vi har introdusert dem, la oss se nærmere på de ulike 3D-printingsteknologiene som brukes i luftfartsindustrien. Først bør det bemerkes at metalladditiv produksjon, spesielt L-PBF, er den mest brukte innen dette feltet. Denne prosessen innebærer bruk av laserenergi for å smelte sammen metallpulver lag for lag. Den er spesielt egnet for å produsere små, komplekse, presise og tilpassede deler. Luftfartsprodusenter kan også dra nytte av DED, som innebærer avsetning av metalltråd eller pulver og hovedsakelig brukes til reparasjon, belegging eller produksjon av tilpassede metall- eller keramiske deler.
I motsetning til dette er bindemiddeljetting, selv om det er fordelaktig med tanke på produksjonshastighet og lave kostnader, ikke egnet for å produsere mekaniske deler med høy ytelse fordi det krever etterbehandlingsforsterkende trinn som øker produksjonstiden for sluttproduktet. Ekstruderingsteknologi er også effektiv i rommiljøet. Det bør bemerkes at ikke alle polymerer er egnet for bruk i rommet, men høyytelsesplast som PEEK kan erstatte noen metalldeler på grunn av sin styrke. Denne 3D-utskriftsprosessen er imidlertid fortsatt ikke veldig utbredt, men den kan bli en verdifull ressurs for romutforskning ved å bruke nye materialer.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) er en mye brukt teknologi innen 3D-printing for luftfart.
Potensialet til rommaterialer
Luftfartsindustrien har utforsket nye materialer gjennom 3D-printing, og foreslått innovative alternativer som kan forstyrre markedet. Mens metaller som titan, aluminium og nikkel-krom-legeringer alltid har vært hovedfokuset, kan et nytt materiale snart stjele rampelyset: måneregolitt. Måneregolitt er et lag med støv som dekker månen, og ESA har demonstrert fordelene ved å kombinere det med 3D-printing. Advenit Makaya, en senior produksjonsingeniør hos ESA, beskriver måneregolitt som lik betong, hovedsakelig bestående av silisium og andre kjemiske elementer som jern, magnesium, aluminium og oksygen. ESA har inngått samarbeid med Lithoz for å produsere små funksjonelle deler som skruer og tannhjul ved hjelp av simulert måneregolitt med egenskaper som ligner på ekte månestøv.
De fleste prosessene involvert i produksjon av måneregolitt bruker varme, noe som gjør den kompatibel med teknologier som SLS og pulverbindingstrykkløsninger. ESA bruker også D-Shape-teknologi med mål om å produsere faste deler ved å blande magnesiumklorid med materialer og kombinere det med magnesiumoksid som finnes i den simulerte prøven. En av de viktigste fordelene med dette månematerialet er den finere utskriftsoppløsningen, som gjør det mulig å produsere deler med høyeste presisjon. Denne funksjonen kan bli den viktigste fordelen ved å utvide bruksområdet og produsere komponenter for fremtidige månebaser.
Måneregolitten er overalt
Det finnes også marsisk regolitt, som refererer til materiale fra undergrunnen funnet på Mars. For øyeblikket kan ikke internasjonale romfartsorganisasjoner utvinne dette materialet, men dette har ikke hindret forskere i å undersøke potensialet i visse romfartsprosjekter. Forskere bruker simulerte prøver av dette materialet og kombinerer det med titanlegering for å produsere verktøy eller rakettkomponenter. Innledende resultater tyder på at dette materialet vil gi høyere styrke og beskytte utstyr mot rust og strålingsskader. Selv om disse to materialene har lignende egenskaper, er måneregolitt fortsatt det mest testede materialet. En annen fordel er at disse materialene kan produseres på stedet uten behov for å transportere råvarer fra jorden. I tillegg er regolitt en utømmelig materialkilde, noe som bidrar til å forhindre knapphet.
Anvendelser av 3D-printingsteknologi i luftfartsindustrien
Bruksområdene for 3D-printteknologi i luftfartsindustrien kan variere avhengig av den spesifikke prosessen som brukes. For eksempel kan laserpulverbedfusjon (L-PBF) brukes til å produsere intrikate kortsiktige deler, for eksempel verktøysystemer eller romfartsreservedeler. Launcher, en California-basert oppstartsbedrift, brukte Velo3Ds safirmetall-3D-printteknologi for å forbedre sin E-2 flytende rakettmotor. Produsentens prosess ble brukt til å lage induksjonsturbinen, som spiller en avgjørende rolle i å akselerere og drive LOX (flytende oksygen) inn i forbrenningskammeret. Turbinen og sensoren ble hver for seg printet med 3D-printteknologi og deretter satt sammen. Denne innovative komponenten gir raketten større væskestrøm og større skyvekraft, noe som gjør den til en viktig del av motoren.
Velo3D bidro til bruken av PBF-teknologi i produksjonen av den flytende rakettmotoren E-2.
Additiv produksjon har brede bruksområder, inkludert produksjon av små og store strukturer. For eksempel kan 3D-printingsteknologier som Relativity Spaces Stargate-løsning brukes til å produsere store deler som rakettdrivstofftanker og propellblader. Relativity Space har bevist dette gjennom den vellykkede produksjonen av Terran 1, en nesten utelukkende 3D-printet rakett, inkludert en flere meter lang drivstofftank. Den første oppskytningen 23. mars 2023 demonstrerte effektiviteten og påliteligheten til additive produksjonsprosesser.
Ekstruderingsbasert 3D-printingsteknologi muliggjør også produksjon av deler ved hjelp av høytytende materialer som PEEK. Komponenter laget av denne termoplasten har allerede blitt testet i rommet og ble plassert på Rashid-roveren som en del av måneferdet til De forente arabiske emirater. Formålet med denne testen var å evaluere PEEKs motstand mot ekstreme måneforhold. Hvis den lykkes, kan PEEK kanskje erstatte metalldeler i situasjoner der metalldeler går i stykker eller materialer er knappe. I tillegg kan PEEKs lette egenskaper være verdifulle i romutforskning.
3D-printingsteknologi kan brukes til å produsere en rekke deler til luftfartsindustrien.
Fordeler med 3D-printing i luftfartsindustrien
Fordeler med 3D-printing i luftfartsindustrien inkluderer forbedret endelig utseende på deler sammenlignet med tradisjonelle konstruksjonsteknikker. Johannes Homa, administrerende direktør i den østerrikske 3D-printerprodusenten Lithoz, uttalte at «denne teknologien gjør deler lettere». På grunn av designfrihet er 3D-printede produkter mer effektive og krever færre ressurser. Dette har en positiv innvirkning på miljøpåvirkningen av delproduksjon. Relativity Space har vist at additiv produksjon kan redusere antallet komponenter som kreves for å produsere romfartøy betydelig. For Terran 1-raketten ble 100 deler spart. I tillegg har denne teknologien betydelige fordeler i produksjonshastighet, ettersom raketten er ferdigstilt på under 60 dager. Derimot kan det ta flere år å produsere en rakett ved hjelp av tradisjonelle metoder.
Når det gjelder ressursforvaltning, kan 3D-printing spare materialer og i noen tilfeller til og med muliggjøre avfallsgjenvinning. Til slutt kan additiv produksjon bli en verdifull ressurs for å redusere startvekten til raketter. Målet er å maksimere bruken av lokale materialer, som regolitt, og minimere transport av materialer i romfartøy. Dette gjør det mulig å bare ha med seg en 3D-printer, som kan lage alt på stedet etter turen.
Made in Space har allerede sendt en av sine 3D-printere ut i verdensrommet for testing.
Begrensninger ved 3D-printing i verdensrommet
Selv om 3D-printing har mange fordeler, er teknologien fortsatt relativt ny og har begrensninger. Advenit Makaya uttalte: «Et av hovedproblemene med additiv produksjon i luftfartsindustrien er prosesskontroll og validering.» Produsenter kan gå inn i laboratoriet og teste hver dels styrke, pålitelighet og mikrostruktur før validering, en prosess kjent som ikke-destruktiv testing (NDT). Dette kan imidlertid være både tidkrevende og dyrt, så det endelige målet er å redusere behovet for disse testene. NASA etablerte nylig et senter for å løse dette problemet, med fokus på rask sertifisering av metallkomponenter produsert ved additiv produksjon. Senteret tar sikte på å bruke digitale tvillinger for å forbedre datamodeller av produkter, noe som vil hjelpe ingeniører med å bedre forstå ytelsen og begrensningene til deler, inkludert hvor mye trykk de tåler før brudd. Ved å gjøre dette håper senteret å bidra til å fremme bruken av 3D-printing i luftfartsindustrien, noe som gjør den mer effektiv i konkurransen med tradisjonelle produksjonsteknikker.
Disse komponentene har gjennomgått omfattende pålitelighets- og styrketester.
På den annen side er verifiseringsprosessen annerledes hvis produksjonen skjer i rommet. ESAs Advenit Makaya forklarer: «Det finnes en teknikk som innebærer å analysere delene under utskrift.» Denne metoden bidrar til å bestemme hvilke trykte produkter som er egnet og hvilke som ikke er det. I tillegg finnes det et selvkorrigeringssystem for 3D-skrivere beregnet for verdensrommet, og som testes på metallmaskiner. Dette systemet kan identifisere potensielle feil i produksjonsprosessen og automatisk endre parametrene for å korrigere eventuelle feil i delen. Disse to systemene forventes å forbedre påliteligheten til trykte produkter i verdensrommet.
For å validere 3D-printløsninger har NASA og ESA etablert standarder. Disse standardene inkluderer en rekke tester for å bestemme påliteligheten til deler. De vurderer pulverlagsfusjonsteknologi og oppdaterer dem for andre prosesser. Imidlertid tilbyr mange store aktører i materialindustrien, som Arkema, BASF, Dupont og Sabic, også denne sporbarheten.
Bor i verdensrommet?
Med fremskrittene innen 3D-printingsteknologi har vi sett mange vellykkede prosjekter på jorden som bruker denne teknologien til å bygge hus. Dette får oss til å lure på om denne prosessen kan brukes i nær eller fjern fremtid til å konstruere beboelige strukturer i rommet. Selv om det for øyeblikket er urealistisk å bo i rommet, kan det å bygge hus, spesielt på månen, være gunstig for astronauter som utfører romferder. Målet til Den europeiske romfartsorganisasjonen (ESA) er å bygge kupler på månen ved hjelp av måneregolitt, som kan brukes til å bygge vegger eller murstein for å beskytte astronauter mot stråling. Ifølge Advenit Makaya fra ESA består måneregolitt av omtrent 60 % metall og 40 % oksygen, og er et essensielt materiale for astronauters overlevelse fordi det kan gi en uendelig kilde til oksygen hvis det utvinnes fra dette materialet.
NASA har tildelt ICON et tilskudd på 57,2 millioner dollar for å utvikle et 3D-printingssystem for å bygge strukturer på måneoverflaten, og samarbeider også med selskapet for å lage et Mars Dune Alpha-habitat. Målet er å teste levekårene på Mars ved å la frivillige bo i et habitat i ett år og simulere forholdene på den røde planeten. Disse tiltakene representerer kritiske skritt mot å direkte konstruere 3D-printede strukturer på månen og Mars, noe som til slutt kan bane vei for menneskelig kolonisering av rommet.
I fjern fremtid kan disse husene gjøre det mulig for liv å overleve i rommet.
Publisert: 14. juni 2023
