Siden 1900-tallet 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 romutforskning, 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 selskaper.Det gjør det mulig å lage mange applikasjoner, for eksempel satellitter, romdrakter og rakettkomponenter.Faktisk, ifølge SmarTech, forventes markedsverdien av additiv produksjon i privat romindustri å nå 2,1 milliarder euro innen 2026. Dette reiser spørsmålet: Hvordan kan 3D-utskrift hjelpe mennesker til å utmerke seg i verdensrommet?
Opprinnelig ble 3D-utskrift hovedsakelig brukt til rask prototyping i medisinsk, bil- og romfartsindustri.Etter hvert som teknologien har blitt mer utbredt, blir den imidlertid brukt i økende grad for komponenter til endelige formål.Metalladditiv produksjonsteknologi, spesielt L-PBF, har tillatt produksjon av en rekke metaller med egenskaper og holdbarhet som er egnet for ekstreme romforhold.Andre 3D-utskriftsteknologier, for eksempel DED, binder jetting og ekstruderingsprosess, brukes også i produksjonen av romfartskomponenter.De siste årene har nye forretningsmodeller dukket opp, med selskaper som Made in Space og Relativity Space som bruker 3D-utskriftsteknologi for å designe romfartskomponenter.
Relativity Space-utvikler 3D-printer for romfartsindustrien
3D-utskriftsteknologi i romfart
Nå som vi har introdusert dem, la oss se nærmere på de ulike 3D-utskriftsteknologiene som brukes i romfartsindustrien.Først bør det bemerkes at produksjon av metalladditiv, spesielt L-PBF, er den mest brukte innen dette feltet.Denne prosessen innebærer å bruke laserenergi for å smelte sammen metallpulver lag for lag.Den er spesielt egnet for å produsere små, komplekse, presise og tilpassede deler.Flyprodusenter kan også dra nytte av DED, som innebærer avsetning av metalltråd eller pulver og brukes hovedsakelig til å reparere, belegge eller produsere tilpassede metall- eller keramiske deler.
I motsetning til dette er bindemiddelstråler, selv om det er fordelaktig med hensyn til produksjonshastighet og lave kostnader, ikke egnet for å produsere høyytelses mekaniske deler fordi det krever forsterkningstrinn etter prosessering som øker produksjonstiden til sluttproduktet.Ekstruderingsteknologi er også effektiv i rommiljøet.Det skal bemerkes at ikke alle polymerer er egnet for bruk i verdensrommet, men høyytelsesplast som PEEK kan erstatte noen metalldeler på grunn av deres styrke.Denne 3D-utskriftsprosessen er imidlertid fortsatt ikke særlig 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-utskrift for romfart.
Potensialet til rommaterialer
Luftfartsindustrien har utforsket nye materialer gjennom 3D-utskrift, og foreslår innovative alternativer som kan forstyrre markedet.Mens metaller som titan, aluminium og nikkel-kromlegeringer alltid har vært hovedfokuset, kan et nytt materiale snart stjele søkelyset: månens regolit.Måneregolitten er et lag med støv som dekker månen, og ESA har demonstrert fordelene ved å kombinere det med 3D-utskrift.Advenit Makaya, en senior produksjonsingeniør i ESA, beskriver måneregolitten som lik betong, hovedsakelig bygd opp 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 bruk av simulert måneregolit med egenskaper som ligner på ekte månestøv.
De fleste prosessene som er involvert i produksjonen av måneregolitten bruker varme, noe som gjør den kompatibel med teknologier som SLS og pulverbindingsutskriftsløsninger.ESA bruker også D-Shape-teknologi med mål om å produsere faste deler ved å blande magnesiumklorid med materialer og kombinere det med magnesiumoksid funnet i den simulerte prøven.En av de betydelige fordelene med dette månematerialet er dets finere utskriftsoppløsning, som gjør det mulig å produsere deler med høyeste presisjon.Denne funksjonen kan bli den primære ressursen i å utvide utvalget av applikasjoner og produksjonskomponenter for fremtidige månebaser.
Lunar Regolith er overalt
Det er også Mars-regolit, som refererer til undergrunnsmateriale funnet på Mars.Foreløpig kan ikke internasjonale romorganisasjoner gjenopprette dette materialet, men dette har ikke stoppet forskere fra å forske på potensialet i visse romfartsprosjekter.Forskere bruker simulerte prøver av dette materialet og kombinerer det med titanlegering for å produsere verktøy eller rakettkomponenter.De første resultatene indikerer at dette materialet vil gi høyere styrke og beskytte utstyret mot rust og strålingsskader.Selv om disse to materialene har lignende egenskaper, er måneregolitten 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 regolit en uuttømmelig materialkilde, som bidrar til å forhindre knapphet.
Anvendelsene av 3D-utskriftsteknologi i romfartsindustrien
Anvendelsene av 3D-utskriftsteknologi i romfartsindustrien 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 romreservedeler.Launcher, en California-basert oppstart, brukte Velo3Ds safir-metall 3D-utskriftsteknologi for å forbedre sin E-2 væskerakettmotor.Produsentens prosess ble brukt til å lage induksjonsturbinen, som spiller en avgjørende rolle for å akselerere og drive LOX (flytende oksygen) inn i forbrenningskammeret.Turbinen og sensoren ble hver skrevet ut ved hjelp av 3D-utskriftsteknologi 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 E-2 flytende rakettmotor.
Additiv produksjon har brede bruksområder, inkludert produksjon av små og store strukturer.For eksempel kan 3D-utskriftsteknologier 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 lanseringen 23. mars 2023 demonstrerte effektiviteten og påliteligheten til additive produksjonsprosesser.
Ekstrusjonsbasert 3D-utskriftsteknologi tillater også produksjon av deler ved bruk av høyytelsesmaterialer som PEEK.Komponenter laget av denne termoplasten har allerede blitt testet i verdensrommet og ble plassert på Rashid-roveren som en del av UAE-måneoppdraget.Hensikten med denne testen var å evaluere PEEKs motstand mot ekstreme måneforhold.Hvis det lykkes, kan PEEK være i stand til å erstatte metalldeler i situasjoner der metalldeler går i stykker eller materialer er knappe.I tillegg kan PEEKs lette egenskaper være av verdi i romutforskning.
3D-utskriftsteknologi kan brukes til å produsere en rekke deler for romfartsindustrien.
Fordeler med 3D-utskrift i romfartsindustrien
Fordeler med 3D-utskrift i romfartsindustrien inkluderer forbedret endelig utseende på deler sammenlignet med tradisjonelle konstruksjonsteknikker.Johannes Homa, administrerende direktør for den østerrikske 3D-skriverprodusenten 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.Relativitet Space har vist at additiv produksjon kan redusere antallet komponenter som kreves for å produsere romfartøy betydelig.For Terran 1-raketten ble 100 deler lagret.I tillegg har denne teknologien betydelige fordeler i produksjonshastighet, med raketten som er ferdigstilt på mindre enn 60 dager.I kontrast kan det ta flere år å produsere en rakett ved bruk av tradisjonelle metoder.
Når det gjelder ressursstyring, kan 3D-utskrift spare materialer og i noen tilfeller til og med tillate resirkulering av avfall.Til slutt kan additiv produksjon bli en verdifull ressurs for å redusere startvekten til raketter.Målet er å maksimere bruken av lokale materialer, som regolit, og minimere transport av materialer i romfartøy.Dette gjør det mulig å bære kun en 3D-printer, som kan lage alt på stedet etter reisen.
Made in Space har allerede sendt en av deres 3D-printere til verdensrommet for testing.
Begrensninger ved 3D-utskrift 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 romfartsindustrien 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, fokusert på rask sertifisering av metallkomponenter produsert ved additiv produksjon.Senteret har som mål å bruke digitale tvillinger for å forbedre datamodeller av produkter, noe som vil hjelpe ingeniører til å bedre forstå ytelsen og begrensningene til deler, inkludert hvor mye trykk de tåler før brudd.Ved å gjøre det håper senteret å bidra til å fremme bruken av 3D-utskrift i romfartsindustrien, noe som gjør den mer effektiv i konkurransen med tradisjonelle produksjonsteknikker.
Disse komponentene har gjennomgått omfattende testing av pålitelighet og styrke.
På den annen side er verifiseringsprosessen annerledes hvis produksjonen skjer i verdensrommet.ESAs Advenit Makaya forklarer: "Det er en teknikk som innebærer å analysere delene under utskrift."Denne metoden hjelper til med å avgjøre hvilke trykte produkter som er egnet og hvilke som ikke er det.I tillegg er det et selvkorrigeringssystem for 3D-skrivere beregnet for plass og testes på metallmaskiner.Dette systemet kan identifisere potensielle feil i produksjonsprosessen og automatisk endre parametrene for å rette opp eventuelle feil i delen.Disse to systemene forventes å forbedre påliteligheten til trykte produkter i verdensrommet.
For å validere 3D-utskriftsløsninger har NASA og ESA etablert standarder.Disse standardene inkluderer en serie tester for å bestemme påliteligheten til deler.De vurderer pulverbedfusjonsteknologi og oppdaterer dem for andre prosesser.Men mange store aktører i materialindustrien, som Arkema, BASF, Dupont og Sabic, gir også denne sporbarheten.
Bor i verdensrommet?
Med utviklingen av 3D-utskriftsteknologi 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 bli brukt i nær eller fjern fremtid for å konstruere beboelige strukturer i rommet.Selv om det er urealistisk å leve i verdensrommet for øyeblikket, kan det å bygge hus, spesielt på månen, være fordelaktig for astronauter når de skal utføre romoppdrag.Målet til European Space Agency (ESA) er å bygge kupler på månen ved hjelp av måneregolit, som kan brukes til å konstruere vegger eller murstein for å beskytte astronauter mot stråling.I følge Advenit Makaya fra ESA er måneregolitten sammensatt av omtrent 60 % metall og 40 % oksygen og er et essensielt materiale for astronautens overlevelse fordi den kan gi en endeløs kilde til oksygen hvis den trekkes ut fra dette materialet.
NASA har tildelt et stipend på 57,2 millioner dollar til ICON for å utvikle et 3D-utskriftssystem for å bygge strukturer på månens overflate og samarbeider også med selskapet for å skape et Mars Dune Alpha-habitat.Målet er å teste leveforholdene på Mars ved å la frivillige bo i et habitat i ett år, og simulere forholdene på den røde planeten.Denne innsatsen representerer kritiske skritt mot direkte konstruksjon av 3D-trykte strukturer på månen og Mars, som til slutt kan bane vei for menneskelig romkolonisering.
I en fjern fremtid kan disse husene gjøre det mulig for liv å overleve i verdensrommet.
Innleggstid: 14. juni 2023