3D печать в освоении космоса

Начиная с 20 века освоение космоса всегда было в поле зрения человека, стремящегося понять, что происходит за пределами планеты Земля. Крупные агентства, такие как Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и Европейское космическое агентство (ЕКА), являются основными игроками в освоении космоса.

Они также, как и многие другие отрасли могут рассчитывать на 3D печать: она стала методом проектирования, который используется в рабочих процессах. Это позволяет создавать сложные детали быстро и с небольшими затратами. 3D печать имеет широкий спектр применений, например, создание спутников, скафандров, деталей ракет и т. д. По оценкам SmarTech, рыночная стоимость аддитивного производства в частной космической отрасли к 2026 году составит 2,1 миллиарда евро.

Вопрос, который мы можем задать себе сейчас: как 3D печать может позволить людям занять более важное место в космосе? 

О 3D печати

На заре аддитивного производства 3D печать в основном использовались в трех секторах: медицина, автомобилестроение и авиация. Технология применялась для быстрого прототипирования и производства инструментов. Но с течением времени, благодаря демократизации технологий, этот процесс, наконец, был использован для производства деталей конечного использования.

С развитием технологий аддитивного производства металлов, в частности лазерного плавления в порошковом слое(L-PBF), к концу 90-х годов начала развиваться 3D печать в аэрокосмическом секторе. Эта технология позволяет использовать широкий спектр металлов и сплавов, которые ценятся за свои свойства и устойчивость к экстремальным условиям космоса.

Очевидно, используются и другие технологии 3D печати, позволяющие производить детали конечного использования. Например, концентрированное выделение энергии (DED) позволяет ремонтировать или производить компоненты для аэрокосмического сектора. Струйная обработка связующего и процесс экструзии также являются решениями для 3D печати, которые нельзя упускать из виду. Кроме того, в последние десятилетия появились новые компании, которые занимаются исключительно производством 3D принтеров для проектирования аэрокосмических деталей, например, Made in Space или Relativity Space. 

3D технологии в аэрокосмической отрасли

Теперь, когда мы познакомились с возможностями 3D печати, давайте подробнее рассмотрим различные технологии, используемые в аэрокосмической отрасли.

Наиболее распространенным в отрасли является аддитивное производство металлов, а точнее лазерное спекание в порошковом слое (SLM). Этот процесс заключается в использовании источника лазерной энергии для сплавления металлических порошков, наносимых слой за слоем. Метод особенно полезен для изготовления небольших, сложных, детализированных и индивидуальных деталей. Также производители аэрокосмической продукции могут получить выгоду от DED. Он использует металлическую проволоку или порошок в качестве материала и в основном используется для ремонта, нанесения покрытия или производства нестандартных металлических деталей и, в редких случаях, керамических деталей.

Также в отрасли может использоваться технология порошкового связывания (SLS). Несмотря на преимущества по скорости производства и низкой себестоимости, он не позволяет создавать детали с высокими механическими свойствами, что требует дополнительных этапов постобработки, удлиняющих изготовление конечного продукта.

Технология FDM также может оказаться эффективной для космической сферы. Важно отметить, что не все материалы можно использовать в космосе. Высокопроизводительные пластики, такие как PEEK, благодаря своей прочности могут заменить некоторые металлические детали. Однако этот процесс 3D печати остается наименее распространенным для производства, но активно используется для создания новых материалов.

Потенциал космических материалов

Прежде всего, использование 3D печати в аэрокосмическом секторе позволяет нам исследовать новые материалы и предлагать альтернативы, которые вполне могут произвести революцию на рынке. Большинство используемых материалов - это металлы, такие как титан, алюминий или даже инконель. Но в ближайшие годы может появиться новый материал: лунный реголит. Это своего рода пыль, которая покрывает Луну. Именно Европейское космическое агентство продемонстрировало преимущества этого материала в сочетании с 3D печатью.

Адвенит Макая, передовой инженер-технолог Европейского космического агентства, объясняет: «Лунный реголит подобен бетону. Это песок, в основном состоящий из кремния, некоторых химических элементов, таких как железо, магний или алюминий. Он также состоит из кислорода.» В 2018 году она раскрыла результаты своих первых впечатлений от имитатора лунного реголита, который имеет свойства настоящей лунной пыли. В сотрудничестве с Lithoz ESA производило небольшие функциональные детали, такие как винты и шестерни.

«Большинство технологий, над которыми мы работаем для развития производства из лунного реголита, основаны на процессах, использующих тепло», — добавляет Адвенит Макая. Поэтому этот материал совместим с такими технологиями, как SLS. Решения для печати, использующие процесс порошковой склейки, также работают с этим типом материала. Мы также работаем по технологии D-Shape. Цель этой партнерской компании — смешать хлорид магния с материалом так, чтобы он соединился с оксидом магния, присутствующим в имитаторе, и образовал твердую деталь».

По своим характеристикам этот лунный материал позволит добиться более высокого разрешения печати. По данным Европейского космического агентства, этот материал позволит производить детали с высочайшим уровнем точности. Это станет важным преимуществом для расширения сфер применения и в будущем для производства компонентов, подходящих для лунных баз. 

Существует также марсианский реголит — пыль, найденная на Марсе. На данный момент международные космические агентства не обнаружили это вещество. Однако этот материал до сих пор присутствует в некоторых аэрокосмических проектах. Исследователи используют имитатор этого вещества и объединяют его с титановым сплавом в надежде изготовить инструменты или детали ракет. Согласно результатам, материал будет обладать большей устойчивостью и обеспечит защиту оборудования от ржавчины и повреждений, вызванных радиацией.

Эти два материала не имеют каких-либо серьезных различий между собой, но лунный реголит остается наиболее проверенным и исследованным материалом. Их главное преимущество - возможность производить детали непосредственно на месте. Это позволяет производить материал на месте и практически полностью отказаться от сырья, привезенного с земли. 

Применение 3D печати в аэрокосмической отрасли 

В зависимости от используемой технологии варианты применения 3D печати могут различаться. Например, SLM позволяет создавать инструментальные системы или запасные части для космоса. Калифорнийский стартап Launcher использовал технологию 3D печати металлом Sapphire от Velo3D для улучшения своего жидкостного ракетного двигателя E-2. Технологический процесс производителя позволил создать индукторную турбину. Если говорить подробно, турбина и индуктор были напечатаны на 3D принтере отдельно. Затем детали были собраны. Эта деталь может выдерживать большие нагрузки, так как она ускоряет и направляет LOX (жидкий кислород) в камеру сгорания и обеспечивает большую тягу ракеты. 

Аддитивное производство также позволяет производить крупномасштабные конструкции, в частности лопасти винтов или даже резервуары. Relativity Space продемонстрировала это, используя свое решение «Звездные врата» для формирования Terran 1, ракеты, почти полностью напечатанной на 3D принтере. Среди напечатанных деталей можно отметить топливный бак размером несколько метров. Структура ракеты также была разработана с использованием процесса Звездных врат Relativity Space. Terran 1 взлетел 23 марта 2023 года, впервые в отрасли продемонстрировав эффективность и надежность процесса аддитивного производства. 

Наконец, 3D печать методом экструзии используется для создания деталей из высокопроизводительных материалов, таких как PEEK. Этот термопласт уже был испытан в космосе. Действительно, на марсоходе «Рашид» были размещены 3D печатные компоненты из этого материала. Этот аппарат сам был интегрирован в ракету Falcon 9 в рамках лунной миссии Emirates. Цель — проверить устойчивость PEEK к экстремальным условиям на Луне. Таким образом, этот материал может стать альтернативной заменой металлических деталей в случае их поломки или нехватки материалов. Этот высокоэффективный термопласт также делает компоненты легче, что является ценным преимуществом для исследования внеземных цивилизаций.

Преимущества 3D печати в аэрокосмической отрасли

3D печать выделяется на фоне традиционных методов производства, особенно при окончательной визуализации деталей. «Эта технология делает детали легче», — говорит Йоханнес Хома, генеральный директор Lithoz, австрийского производителя 3D принтеров. Благодаря свободе дизайна печатная продукция становится более эффективной и требует меньше ресурсов. Это оказывает положительное влияние на окружающую среду. Relativity Space доказала, что 3D печать может сократить количество компонентов, необходимых для изготовления космического корабля. Для ракеты Terran 1 удалось сэкономить 100 деталей благодаря аддитивному производству. Кроме того, эта технология дает большое преимущество с точки зрения скорости производства. Что касается космической ракеты Relativity, то она была завершена менее чем за 60 дней. Для сравнения, постройка еще одной ракеты традиционным способом может занять несколько лет. 

С точки зрения управления ресурсами 3D печать по определению позволяет экономить материалы и в некоторых случаях перерабатывать отходы. Наконец, аддитивное производство могло бы помочь в облегчении ракет во время взлета. Цель состоит в том, чтобы максимально использовать местные материалы, в данном случае реголит, и свести к минимуму транспортировку материалов в космическом корабле. Таким образом, можно будет взять с собой только 3D принтер , который сможет создать все необходимое на месте после завершения поездки. 

Ограничения 3D печати в космосе

Несмотря на определенные преимущества, которые может принести 3D печать, эта технология остается новой и может иметь ограничения. «Текущая проблема аддитивного производства в аэрокосмическом секторе заключается в том, как контролировать процесс и как его проверять», — говорит Адвенит Макая.

С одной стороны, на Земле производители этого сектора имеют доступ к лабораториям, где каждая деталь может быть протестирована для проверки ее микроструктуры, сопротивления и надежности. Этот процесс называется NDI, или неразрушающий контроль. Помимо затрат времени на проверку детали, технология инспекции является очень дорогостоящей. Таким образом, конечная цель состоит в том, чтобы ограничить эти тесты и снизить затраты. Над этим сейчас работает НАСА.

Космическое агентство недавно открыло центр, посвященный изучению и быстрой сертификации металлических деталей, изготовленных с использованием технологий аддитивного производства. Целью этого центра является улучшение компьютерных моделей продуктов с использованием цифровых двойников, чтобы помочь инженерам понять возможности и ограничения деталей. В частности, они смогут увидеть величину напряжения, которому могут подвергнуться детали, прежде чем сломаться. Таким образом, центр должен способствовать продвижению использования 3D печати в аэрокосмическом секторе. Это позволит конкурировать с традиционными технологиями производства деталей для этой отрасли.

С другой стороны, если производство происходит в космосе, процесс проверки будет другим. Адвенит Макая из ESA объясняет: «Существует метод, который заключается в анализе детали во время ее печати». По его словам, этот процесс позволит увидеть, какая печатная продукция будет пригодна, а какая непригодна для использования. К этому можно добавить систему самокоррекции для 3D принтеров, используемых в космосе. Это решение проверено на металлических станках. В частности, машина сможет определить, на каком этапе производства существует риск ошибки. Таким образом, оборудование сможет автоматически изменять свои параметры для исправления дефектов детали.

В конечном счете, для проверки решения, напечатанного на 3D принтере, существуют стандарты, разработанные НАСА и ЕКА. Они представляют собой список испытаний, которые необходимо выполнить для детали, чтобы определить, надежен ли конечный продукт.

Живете в космосе?

Многочисленные проекты по 3D печати на Земле ясно показали, что с помощью этой технологии можно строить даже дома. Благодаря прогрессу в этом секторе можно задаться вопросом, позволит ли этот процесс в ближайшем или отдаленном будущем создавать жилье в космосе. На данный момент идея жить там неактуальна. Однако строительство домов, особенно на Луне, было бы полезно для астронавтов, отправляющихся в космические миссии. 

Действительно, целью космических агентств, таких как ЕКА, является изготовление куполов из лунного реголита. «Из этого материала мы можем строить стены, как при экструзии бетона на Земле. Мы также можем создать их в виде кубиков, которые будут собираться. Идея таких построек заключается также в том, чтобы защитить космонавтов от радиации», — объясняет Адвенит Макая.

Лунный реголит состоит примерно на 60% из металла и на 40% из кислорода. Поэтому этот материал полезен не только для производства, но также необходим для выживания астронавтов, поскольку остается неисчерпаемым источником кислорода, если последний извлекается из материала.

НАСА также твердо намерено построить дома на Луне. Космическое агентство выделило ICON 57,2 миллиона долларов на разработку системы 3D печати для застройки лунной поверхности. Что касается жизни на Марсе, то она испытает Mars Dune Alpha, первый марсианский дом космического агентства. НАСА снова сотрудничает с ICON для разработки Mars Dune Alpha, который был размещен в его космическом центре в Хьюстоне, штат Техас. Цель проекта - разместить в этом доме несколько волонтеров на 1 год. Им придется столкнуться с теми же условиями, что и на Красной планете, чтобы сделать опыт более реальным. В конечном итоге этот тест позволит определить, возможна ли жизнь на Марсе.

Итог

3D технологии активно развиваются в космической сфере. Это не только поиск новых материалов и технологий, но и более масштабные задачи, например, строительство домов на Луне и Марсе. Возможно в скором времени на ближайших планетах и спутниках мы увидим здания, напечатанные на 3D принтерах!

Наши предыдущие статьи: