Siden det 20. århundrede har menneskeheden været fascineret af at udforske rummet og forstå, hvad der ligger uden for Jorden. Store organisationer som NASA og ESA har været i spidsen for rumforskning, og en anden vigtig aktør i denne erobring er 3D-printning. Med evnen til hurtigt at producere komplekse dele til lave omkostninger bliver denne designteknologi stadig mere populær i virksomheder. Den muliggør skabelsen af mange applikationer, såsom satellitter, rumdragter og raketkomponenter. Faktisk forventes markedsværdien af additiv fremstilling i den private rumfartsindustri ifølge SmarTech at nå 2,1 milliarder euro i 2026. Dette rejser spørgsmålet: Hvordan kan 3D-printning hjælpe mennesker med at udmærke sig i rummet?
I starten blev 3D-printning primært brugt til hurtig prototyping i medicinal-, bil- og luftfartsindustrien. Men efterhånden som teknologien er blevet mere udbredt, bruges den i stigende grad til endelige komponenter. Metaladditiv fremstillingsteknologi, især L-PBF, har muliggjort produktion af en række forskellige metaller med egenskaber og holdbarhed, der er egnet til ekstreme rumforhold. Andre 3D-printteknologier, såsom DED, binderjetting og ekstruderingsprocesser, bruges også til fremstilling af luftfartskomponenter. I de senere år er der opstået nye forretningsmodeller, hvor virksomheder som Made in Space og Relativity Space bruger 3D-printteknologi til at designe luftfartskomponenter.
Relativity Space udvikler 3D-printer til luftfartsindustrien
3D-printteknologi inden for luftfart
Nu hvor vi har introduceret dem, lad os se nærmere på de forskellige 3D-printteknologier, der anvendes i luftfartsindustrien. Først skal det bemærkes, at metaladditiv fremstilling, især L-PBF, er den mest anvendte inden for dette felt. Denne proces involverer brug af laserenergi til at smelte metalpulver lag for lag. Den er især velegnet til produktion af små, komplekse, præcise og tilpassede dele. Luftfartsproducenter kan også drage fordel af DED, som involverer aflejring af metaltråd eller pulver og primært bruges til reparation, belægning eller produktion af tilpassede metal- eller keramiske dele.
I modsætning hertil er binderjetting, selvom det er fordelagtigt med hensyn til produktionshastighed og lave omkostninger, ikke egnet til produktion af højtydende mekaniske dele, fordi det kræver efterbehandling og forstærkning, der øger fremstillingstiden for det endelige produkt. Ekstruderingsteknologi er også effektiv i rumfart. Det skal bemærkes, at ikke alle polymerer er egnede til brug i rummet, men højtydende plasttyper som PEEK kan erstatte nogle metaldele på grund af deres styrke. Denne 3D-printproces er dog stadig ikke særlig udbredt, men den kan blive et værdifuldt aktiv for rumforskning ved at bruge nye materialer.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) er en udbredt teknologi inden for 3D-printning til luftfart.
Potentialet af rummaterialer
Luftfartsindustrien har udforsket nye materialer gennem 3D-print og foreslået innovative alternativer, der kan forstyrre markedet. Mens metaller som titanium, aluminium og nikkel-kromlegeringer altid har været i hovedfokus, kan et nyt materiale snart stjæle rampelyset: måneregolith. Måneregolith er et lag støv, der dækker månen, og ESA har demonstreret fordelene ved at kombinere det med 3D-print. Advenit Makaya, en senior produktionsingeniør hos ESA, beskriver måneregolith som lig beton, primært bestående af silicium og andre kemiske elementer såsom jern, magnesium, aluminium og ilt. ESA har indgået partnerskab med Lithoz for at producere små funktionelle dele såsom skruer og tandhjul ved hjælp af simuleret måneregolith med egenskaber, der ligner rigtigt månestøv.
De fleste processer involveret i fremstilling af måneregolit bruger varme, hvilket gør den kompatibel med teknologier som SLS og pulverbindingsprintløsninger. ESA bruger også D-Shape-teknologi med det formål at producere faste dele ved at blande magnesiumchlorid med materialer og kombinere det med magnesiumoxid, der findes i den simulerede prøve. En af de betydelige fordele ved dette månemateriale er dets finere printopløsning, der gør det muligt at producere dele med den højeste præcision. Denne funktion kan blive det primære aktiv i forbindelse med udvidelse af anvendelsesområdet og fremstilling af komponenter til fremtidige månebaser.
Månens regolit er overalt
Der er også marsisk regolith, der henviser til materiale fra undergrunden fundet på Mars. I øjeblikket kan internationale rumagenturer ikke udvinde dette materiale, men dette har ikke forhindret forskere i at undersøge dets potentiale i visse rumfartsprojekter. Forskere bruger simulerede prøver af dette materiale og kombinerer det med titanlegeringer til at producere værktøj eller raketkomponenter. Indledende resultater tyder på, at dette materiale vil give højere styrke og beskytte udstyr mod rust og strålingsskader. Selvom disse to materialer har lignende egenskaber, er måneregolith stadig det mest testede materiale. En anden fordel er, at disse materialer kan fremstilles på stedet uden behov for at transportere råmaterialer fra Jorden. Derudover er regolith en uudtømmelig materialekilde, der hjælper med at forhindre knaphed.
Anvendelser af 3D-printteknologi i luftfartsindustrien
Anvendelserne af 3D-printteknologi i luftfartsindustrien kan variere afhængigt af den specifikke proces, der anvendes. For eksempel kan laserpulverlejefusion (L-PBF) bruges til at fremstille komplicerede kortvarige dele, såsom værktøjssystemer eller reservedele til rumfart. Launcher, en californisk startup, brugte Velo3Ds safirmetal 3D-printteknologi til at forbedre sin E-2 flydende raketmotor. Producentens proces blev brugt til at skabe induktionsturbinen, som spiller en afgørende rolle i at accelerere og drive LOX (flydende ilt) ind i forbrændingskammeret. Turbinen og sensoren blev hver især printet ved hjælp af 3D-printteknologi og derefter samlet. Denne innovative komponent giver raketten større væskestrøm og større trykkraft, hvilket gør den til en essentiel del af motoren.
Velo3D bidrog til brugen af PBF-teknologi i fremstillingen af E-2-væskeraketmotoren.
Additiv fremstilling har brede anvendelser, herunder produktion af små og store strukturer. For eksempel kan 3D-printteknologier som Relativity Spaces Stargate-løsning bruges til at fremstille store dele såsom raketbrændstoftanke og propelblade. Relativity Space har bevist dette gennem den succesfulde produktion af Terran 1, en næsten udelukkende 3D-printet raket, inklusive en flere meter lang brændstoftank. Dens første opsendelse den 23. marts 2023 demonstrerede effektiviteten og pålideligheden af additive fremstillingsprocesser.
Ekstruderingsbaseret 3D-printteknologi muliggør også produktion af dele ved hjælp af højtydende materialer såsom PEEK. Komponenter lavet af denne termoplast er allerede blevet testet i rummet og blev placeret på Rashid-roveren som en del af UAE's månemission. Formålet med denne test var at evaluere PEEK's modstandsdygtighed over for ekstreme måneforhold. Hvis det lykkes, kan PEEK muligvis erstatte metaldele i situationer, hvor metaldele går i stykker, eller materialer er knappe. Derudover kan PEEK's lette egenskaber være værdifulde i rumforskningen.
3D-printteknologi kan bruges til at fremstille en række forskellige dele til luftfartsindustrien.
Fordele ved 3D-printning i luftfartsindustrien
Fordelene ved 3D-printning i luftfartsindustrien omfatter et forbedret endeligt udseende af delene sammenlignet med traditionelle konstruktionsteknikker. Johannes Homa, administrerende direktør for den østrigske 3D-printerproducent Lithoz, udtalte, at "denne teknologi gør delene lettere." På grund af designfrihed er 3D-printede produkter mere effektive og kræver færre ressourcer. Dette har en positiv indvirkning på miljøpåvirkningen af delproduktion. Relativity Space har vist, at additiv fremstilling kan reducere antallet af komponenter, der kræves for at fremstille rumfartøjer, betydeligt. For Terran 1-raketten blev 100 dele sparet. Derudover har denne teknologi betydelige fordele i produktionshastighed, da raketten er færdig på mindre end 60 dage. Derimod kan fremstilling af en raket ved hjælp af traditionelle metoder tage flere år.
Med hensyn til ressourcehåndtering kan 3D-printning spare materialer og i nogle tilfælde endda muliggøre genbrug af affald. Endelig kan additiv fremstilling blive et værdifuldt aktiv til at reducere raketters startvægt. Målet er at maksimere brugen af lokale materialer, såsom regolit, og minimere transport af materialer i rumfartøjer. Dette gør det muligt kun at medbringe en 3D-printer, som kan skabe alt på stedet efter rejsen.
Made in Space har allerede sendt en af deres 3D-printere ud i rummet til test.
Begrænsninger ved 3D-printning i rummet
Selvom 3D-printning har mange fordele, er teknologien stadig relativt ny og har begrænsninger. Advenit Makaya udtalte: "Et af hovedproblemerne med additiv fremstilling i luftfartsindustrien er proceskontrol og validering." Producenter kan gå ind i laboratoriet og teste hver dels styrke, pålidelighed og mikrostruktur før validering, en proces kendt som ikke-destruktiv testning (NDT). Dette kan dog være både tidskrævende og dyrt, så det endelige mål er at reducere behovet for disse tests. NASA har for nylig etableret et center til at løse dette problem med fokus på hurtig certificering af metalkomponenter fremstillet ved additiv fremstilling. Centret sigter mod at bruge digitale tvillinger til at forbedre computermodeller af produkter, hvilket vil hjælpe ingeniører med bedre at forstå ydeevnen og begrænsningerne af dele, herunder hvor meget tryk de kan modstå før brud. Ved at gøre dette håber centret at bidrage til at fremme anvendelsen af 3D-printning i luftfartsindustrien og gøre den mere effektiv i konkurrencen med traditionelle fremstillingsteknikker.
Disse komponenter har gennemgået omfattende pålideligheds- og styrketest.
På den anden side er verifikationsprocessen anderledes, hvis fremstillingen foregår i rummet. ESA's Advenit Makaya forklarer: "Der findes en teknik, der involverer analyse af delene under printning." Denne metode hjælper med at bestemme, hvilke trykte produkter der er egnede, og hvilke der ikke er. Derudover findes der et selvkorrigerende system til 3D-printere beregnet til rummet, som testes på metalmaskiner. Dette system kan identificere potentielle fejl i fremstillingsprocessen og automatisk ændre dets parametre for at rette eventuelle defekter i delen. Disse to systemer forventes at forbedre pålideligheden af trykte produkter i rummet.
For at validere 3D-printløsninger har NASA og ESA etableret standarder. Disse standarder omfatter en række tests til at bestemme delenes pålidelighed. De tager højde for pulverlejefusionsteknologi og opdaterer dem til andre processer. Mange store aktører i materialeindustrien, såsom Arkema, BASF, Dupont og Sabic, tilbyder dog også denne sporbarhed.
Bor i rummet?
Med fremskridtet inden for 3D-printteknologi har vi set mange succesfulde projekter på Jorden, der bruger denne teknologi til at bygge huse. Dette får os til at undre os over, om denne proces i den nærmeste eller fjerne fremtid kan bruges til at konstruere beboelige strukturer i rummet. Selvom det i øjeblikket er urealistisk at bo i rummet, kan det være gavnligt for astronauter at bygge huse, især på månen, i forbindelse med udførelse af rummissioner. Målet for Den Europæiske Rumorganisation (ESA) er at bygge kupler på månen ved hjælp af måneregolith, som kan bruges til at konstruere vægge eller mursten for at beskytte astronauter mod stråling. Ifølge Advenit Makaya fra ESA består måneregolith af omkring 60% metal og 40% ilt og er et essentielt materiale for astronauters overlevelse, fordi det kan give en uendelig kilde til ilt, hvis det udvindes fra dette materiale.
NASA har tildelt ICON et tilskud på 57,2 millioner dollars til udvikling af et 3D-printsystem til at bygge strukturer på måneoverfladen og samarbejder også med virksomheden om at skabe et Mars Dune Alpha-habitat. Målet er at teste levevilkårene på Mars ved at lade frivillige bo i et habitat i et år og simulere forholdene på den røde planet. Disse bestræbelser repræsenterer afgørende skridt i retning af direkte konstruktion af 3D-printede strukturer på månen og Mars, hvilket i sidste ende kan bane vejen for menneskelig kolonisering af rummet.
I den fjerne fremtid kan disse huse gøre det muligt for liv at overleve i rummet.
Opslagstidspunkt: 14. juni 2023
