Siden det 20. århundrede har menneskeheden været fascineret af at udforske rummet og forstå, hvad der ligger hinsides Jorden.Større organisationer som NASA og ESA har været på forkant med udforskning af rummet, og en anden vigtig spiller i denne erobring er 3D-print.Med evnen til hurtigt at producere komplekse dele til lave omkostninger, bliver denne designteknologi stadig mere populær i virksomheder.Det gør det muligt at skabe mange applikationer, såsom satellitter, rumdragter og raketkomponenter.Faktisk, ifølge SmarTech, forventes markedsværdien af additiv fremstilling i den private rumindustri at nå op på 2,1 milliarder euro i 2026. Dette rejser spørgsmålet: Hvordan kan 3D-print hjælpe mennesker med at udmærke sig i rummet?
Oprindeligt blev 3D-print hovedsageligt brugt til hurtig prototyping i medicin-, bil- og rumfartsindustrien.Men efterhånden som teknologien er blevet mere udbredt, bliver den brugt i stigende grad til endelige komponenter.Teknologi til fremstilling af metaladditiv, især L-PBF, har gjort det muligt at fremstille en række metaller med egenskaber og holdbarhed, der er egnet til ekstreme pladsforhold.Andre 3D-printteknologier, såsom DED, binder jetting og ekstruderingsproces, bruges også til fremstilling af rumfartskomponenter.I de senere år er der opstået nye forretningsmodeller, hvor virksomheder som Made in Space og Relativity Space bruger 3D-printteknologi til at designe rumfartskomponenter.
Relativity Space udvikler 3D-printer til rumfartsindustrien
3D-printteknologi i rumfart
Nu hvor vi har introduceret dem, lad os se nærmere på de forskellige 3D-printteknologier, der bruges i rumfartsindustrien.For det første skal det bemærkes, at fremstilling af metaladditiv, især L-PBF, er den mest udbredte inden for dette område.Denne proces involverer brug af laserenergi til at sammensmelte metalpulver lag for lag.Den er især velegnet til fremstilling af små, komplekse, præcise og tilpassede dele.Luftfartsproducenter kan også drage fordel af DED, som involverer afsætning af metaltråd eller pulver og hovedsageligt bruges til reparation, belægning eller fremstilling af tilpassede metal- eller keramiske dele.
I modsætning hertil er bindemiddeludsprøjtning, selv om det er fordelagtigt med hensyn til produktionshastighed og lave omkostninger, ikke egnet til fremstilling af højtydende mekaniske dele, fordi det kræver forstærkningstrin efter bearbejdning, der øger fremstillingstiden for det endelige produkt.Ekstrusionsteknologi er også effektiv i rummiljøet.Det skal bemærkes, at ikke alle polymerer er egnede til brug i rummet, men højtydende plast 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 udforskning af rummet ved at bruge nye materialer.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) er en meget brugt teknologi inden for 3D-print til rumfart.
Potentiale for rummaterialer
Luftfartsindustrien har udforsket nye materialer gennem 3D-print og foreslået innovative alternativer, der kan forstyrre markedet.Mens metaller som titanium, aluminium og nikkel-chrom-legeringer altid har været hovedfokus, kan et nyt materiale snart stjæle rampelyset: månens regolit.Lunar regolith er et lag af støv, der dækker månen, og ESA har demonstreret fordelene ved at kombinere det med 3D-print.Advenit Makaya, en senior produktionsingeniør hos ESA, beskriver månens regolit som beton, der primært består af silicium og andre kemiske elementer såsom jern, magnesium, aluminium og oxygen.ESA har indgået et samarbejde med Lithoz om at producere små funktionelle dele såsom skruer og tandhjul ved hjælp af simuleret måneregolith med egenskaber, der ligner ægte månestøv.
De fleste af de processer, der er involveret i fremstillingen af måneregolith, udnytter varme, hvilket gør den kompatibel med teknologier som SLS og pulverbindende printløsninger.ESA bruger også D-Shape-teknologi med det formål at producere faste dele ved at blande magnesiumchlorid med materialer og kombinere det med magnesiumoxid fundet i den simulerede prøve.En af de væsentlige fordele ved dette månemateriale er dets finere printopløsning, hvilket gør det muligt at producere dele med den højeste præcision.Denne funktion kan blive det primære aktiv til at udvide rækken af applikationer og fremstilling af komponenter til fremtidige månebaser.
Lunar Regolith er overalt
Der er også Mars regolit, der henviser til underjordisk materiale fundet på Mars.I øjeblikket kan internationale rumorganisationer ikke genvinde dette materiale, men det har ikke stoppet videnskabsmænd fra at forske i dets potentiale i visse rumfartsprojekter.Forskere bruger simulerede prøver af dette materiale og kombinerer det med titanlegering for at fremstille værktøjer eller raketkomponenter.De første resultater indikerer, 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 at skulle transportere råvarer fra Jorden.Derudover er regolit en uudtømmelig materialekilde, der hjælper med at forhindre knaphed.
Anvendelser af 3D-printteknologi i luftfartsindustrien
Anvendelsen af 3D-printteknologi i luftfartsindustrien kan variere afhængigt af den specifikke proces, der anvendes.For eksempel kan laserpulverbedfusion (L-PBF) bruges til at fremstille indviklede kortsigtede dele, såsom værktøjssystemer eller rumreservedele.Launcher, en Californien-baseret startup, brugte Velo3D's safir-metal 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 oxygen) ind i forbrændingskammeret.Turbinen og sensoren blev hver printet ved hjælp af 3D-printteknologi og derefter samlet.Denne innovative komponent giver raketten større væskeflow og større tryk, hvilket gør den til en væsentlig del af motoren
Velo3D bidrog til brugen af PBF-teknologi til fremstilling af E-2 flydende raketmotor.
Additiv fremstilling har brede anvendelsesmuligheder, herunder produktion af små og store strukturer.For eksempel kan 3D-printteknologier som Relativity Spaces Stargate-løsning bruges til at fremstille store dele som 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 lancering den 23. marts 2023 demonstrerede effektiviteten og pålideligheden af additive fremstillingsprocesser.
Ekstrusionsbaseret 3D-printteknologi giver også mulighed for 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-månemissionen.Formålet med denne test var at evaluere PEEKs modstand mod ekstreme måneforhold.Hvis det lykkes, kan PEEK muligvis udskifte metaldele i situationer, hvor metaldele går i stykker, eller der er få materialer.Derudover kan PEEKs lette egenskaber være af værdi i udforskning af rummet.
3D-printteknologi kan bruges til at fremstille en række dele til rumfartsindustrien.
Fordele ved 3D-print i rumfartsindustrien
Fordelene ved 3D-print i luft- og rumfartsindustrien omfatter forbedret endelig udseende af dele sammenlignet med traditionelle byggeteknikker.Johannes Homa, administrerende direktør for den østrigske 3D-printerproducent Lithoz, udtalte, at "denne teknologi gør dele lettere."På grund af designfrihed er 3D-printede produkter mere effektive og kræver færre ressourcer.Dette har en positiv indvirkning på miljøpåvirkningen af delproduktion.Relativitet Space har vist, at additiv fremstilling kan reducere antallet af komponenter, der kræves for at fremstille rumfartøjer, markant.Til Terran 1-raketten blev 100 dele gemt.Derudover har denne teknologi betydelige fordele med hensyn til produktionshastighed, idet raketten bliver færdig på mindre end 60 dage.I modsætning hertil kan det tage flere år at fremstille en raket ved hjælp af traditionelle metoder.
Med hensyn til ressourcestyring kan 3D-print spare materialer og i nogle tilfælde endda give mulighed for genanvendelse af affald.Endelig kan additiv fremstilling blive et værdifuldt aktiv til at reducere startvægten af raketter.Målet er at maksimere brugen af lokale materialer, såsom regolith, og minimere transporten af materialer inden for rumfartøjer.Dette gør det muligt kun at medbringe en 3D-printer, som kan skabe alt på stedet efter turen.
Made in Space har allerede sendt en af deres 3D-printere til rummet for at teste.
Begrænsninger ved 3D-print i rummet
Selvom 3D-print 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 ultimative mål er at reducere behovet for disse tests.NASA etablerede for nylig et center for at løse dette problem, fokuseret på hurtig certificering af metalkomponenter fremstillet ved additiv fremstilling.Centret har til formål at bruge digitale tvillinger til at forbedre computermodeller af produkter, hvilket vil hjælpe ingeniører med bedre at forstå delenes ydeevne og begrænsninger, herunder hvor meget tryk de kan modstå før brud.Ved at gøre det håber centret at hjælpe med at fremme anvendelsen af 3D-print i luft- og rumfartsindustrien, hvilket gør det mere effektivt i konkurrencen med traditionelle fremstillingsteknikker.
Disse komponenter har gennemgået omfattende pålideligheds- og styrketests.
På den anden side er verifikationsprocessen anderledes, hvis fremstillingen foregår i rummet.ESA's Advenit Makaya forklarer: "Der er en teknik, der involverer at analysere delene under udskrivning."Denne metode hjælper med at bestemme, hvilke trykte produkter der er egnede, og hvilke der ikke er.Derudover er der et selvkorrektionssystem til 3D-printere beregnet til rummet og bliver testet 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 for at bestemme pålideligheden af dele.De overvejer pulverbedfusionsteknologi og opdaterer dem til andre processer.Men mange store aktører i materialeindustrien, såsom Arkema, BASF, Dupont og Sabic, sørger også for denne sporbarhed.
Bor i rummet?
Med fremskridt 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 spekulere på, om denne proces kan blive brugt i en nær eller fjern fremtid til at konstruere beboelige strukturer i rummet.Selvom det i øjeblikket er urealistisk at leve i rummet, kan det at bygge huse, især på månen, være gavnligt for astronauter, når de udfører rummissioner.Målet for European Space Agency (ESA) er at bygge kupler på månen ved hjælp af månens regolit, som kan bruges til at konstruere vægge eller mursten for at beskytte astronauter mod stråling.Ifølge Advenit Makaya fra ESA består månens regolit af omkring 60 % metal og 40 % ilt og er et væsentligt materiale for astronauternes overlevelse, fordi det kan give en endeløs kilde til ilt, hvis det udvindes fra dette materiale.
NASA har tildelt et tilskud på $57,2 millioner til ICON for at udvikle et 3D-printsystem til at bygge strukturer på månens overflade og samarbejder også med virksomheden om at skabe et Mars Dune Alpha-habitat.Målet er at teste levevilkårene på Mars ved at lade frivillige leve i et habitat i et år og simulere forholdene på den røde planet.Disse bestræbelser repræsenterer kritiske skridt mod direkte at konstruere 3D-printede strukturer på månen og Mars, som i sidste ende kan bane vejen for menneskelig rumkolonisering.
I en fjern fremtid kan disse huse gøre livet i stand til at overleve i rummet.
Indlægstid: 14-jun-2023