ХХ ғасырдан бастап адамзат ғарышты зерттеуге және Жерден тыс жерде не бар екенін түсінуге қызығушылық танытты. NASA және ESA сияқты ірі ұйымдар ғарышты зерттеудің алдыңғы қатарында болды, және бұл жеңістегі тағы бір маңызды ойыншы - 3D басып шығару. Күрделі бөлшектерді арзан бағамен тез өндіру мүмкіндігімен бұл дизайн технологиясы компанияларда барған сайын танымал бола бастады. Бұл спутниктер, скафандрлар және зымыран компоненттері сияқты көптеген қолданбаларды жасауға мүмкіндік береді. Шын мәнінде, SmarTech мәліметтері бойынша, жеке ғарыш индустриясының қоспа өндірісінің нарықтық құны 2026 жылға қарай 2,1 миллиард еуроға жетеді деп күтілуде. Бұл сұрақ туғызады: 3D басып шығару адамдарға ғарышта қалай жетістікке жетуге көмектеседі?
Бастапқыда 3D басып шығару негізінен медициналық, автомобиль және аэроғарыш салаларында жылдам прототиптеу үшін қолданылды. Дегенмен, технология кең таралған сайын, ол соңғы мақсаттағы компоненттер үшін барған сайын қолданыла бастады. Металл қоспаларын өндіру технологиясы, әсіресе L-PBF, экстремалды кеңістік жағдайларына жарамды сипаттамалары мен беріктігі бар әртүрлі металдарды өндіруге мүмкіндік берді. Аэроғарыштық компоненттерді өндіруде DED, байланыстырушы ағынды сумен өңдеу және экструзия процесі сияқты басқа 3D басып шығару технологиялары да қолданылады. Соңғы жылдары жаңа бизнес модельдері пайда болды, Made in Space және Relativity Space сияқты компаниялар аэроғарыштық компоненттерді жобалау үшін 3D басып шығару технологиясын қолданады.
Салыстырмалылық кеңістігі аэроғарыш өнеркәсібіне арналған 3D принтерді әзірлеуде
Әуе-ғарыш саласындағы 3D басып шығару технологиясы
Енді оларды таныстырғаннан кейін, аэроғарыш өнеркәсібінде қолданылатын әртүрлі 3D басып шығару технологияларын толығырақ қарастырайық. Біріншіден, металл қоспаларын өндіру, әсіресе L-PBF, бұл салада ең кең таралғанын атап өткен жөн. Бұл процесс металл ұнтағын қабат-қабат біріктіру үшін лазерлік энергияны пайдалануды қамтиды. Бұл әсіресе шағын, күрделі, дәл және теңшелген бөлшектерді өндіруге өте қолайлы. Аэроғарыш өндірушілері металл сым немесе ұнтақты тұндырумен байланысты және негізінен теңшелген металл немесе керамикалық бөлшектерді жөндеу, жабу немесе өндіру үшін қолданылатын DED-тен де пайда көре алады.
Керісінше, байланыстырушы заттарды ағынды түрде жағу өндіріс жылдамдығы мен арзан құны тұрғысынан тиімді болғанымен, жоғары өнімді механикалық бөлшектерді өндіруге жарамсыз, себебі ол соңғы өнімді дайындау уақытын арттыратын өңдеуден кейінгі күшейту қадамдарын қажет етеді. Экструзия технологиясы ғарыштық ортада да тиімді. Барлық полимерлер ғарышта қолдануға жарамды емес екенін, бірақ PEEK сияқты жоғары өнімді пластмассалар беріктігіне байланысты кейбір металл бөлшектерді алмастыра алатынын атап өткен жөн. Дегенмен, бұл 3D басып шығару процесі әлі де кең таралмаған, бірақ жаңа материалдарды пайдалану арқылы ғарышты зерттеу үшін құнды активке айналуы мүмкін.
Лазерлік ұнтақ қабатын біріктіру (L-PBF) - аэроғарыш саласында 3D басып шығаруда кеңінен қолданылатын технология.
Ғарыштық материалдардың әлеуеті
Аэроғарыш саласы 3D басып шығару арқылы жаңа материалдарды зерттеп, нарықты бұзуы мүмкін инновациялық баламаларды ұсынып келеді. Титан, алюминий және никель-хром қорытпалары сияқты металдар әрқашан басты назарда болғанымен, жаңа материал көп ұзамай назарды аударуы мүмкін: ай реголиті. Ай реголиті - айды жауып тұрған шаң қабаты, және ESA оны 3D басып шығарумен біріктірудің артықшылықтарын көрсетті. ESA компаниясының аға өндіріс инженері Адвенит Макая ай реголитін бетонға ұқсас, негізінен кремнийден және темір, магний, алюминий және оттегі сияқты басқа да химиялық элементтерден тұратын деп сипаттайды. ESA Lithoz компаниясымен серіктестікте нақты ай шаңына ұқсас қасиеттері бар модельденген ай реголитін пайдаланып, бұрандалар мен тісті доңғалақтар сияқты шағын функционалды бөлшектерді шығарады.
Ай реголитін өндіруге қатысатын процестердің көпшілігі жылуды пайдаланады, бұл оны SLS және ұнтақ байланыстыратын басып шығару шешімдері сияқты технологиялармен үйлесімді етеді. ESA сонымен қатар магний хлоридін материалдармен араластыру және оны модельденген үлгіде кездесетін магний оксидімен біріктіру арқылы қатты бөлшектерді алу мақсатында D-Shape технологиясын қолданады. Бұл ай материалының маңызды артықшылықтарының бірі - оның ең жоғары дәлдікпен бөлшектерді шығаруға мүмкіндік беретін ұсақ баспа ажыратымдылығы. Бұл мүмкіндік болашақ ай базалары үшін қолдану аясын кеңейту және компоненттерді өндірудегі негізгі активке айналуы мүмкін.
Ай реголиті барлық жерде
Марста кездесетін жер асты материалдарына қатысты марс реголиті де бар. Қазіргі уақытта халықаралық ғарыш агенттіктері бұл материалды қалпына келтіре алмайды, бірақ бұл ғалымдардың белгілі бір аэроғарыш жобаларындағы әлеуетін зерттеуіне кедергі келтірген жоқ. Зерттеушілер бұл материалдың модельденген үлгілерін пайдаланып, оны титан қорытпасымен біріктіріп, құралдарды немесе зымыран компоненттерін жасауда. Алғашқы нәтижелер бұл материалдың жоғары беріктік беретінін және жабдықты тот басу мен радиациялық зақымданудан қорғайтынын көрсетеді. Бұл екі материалдың ұқсас қасиеттері болғанымен, ай реголиті әлі де ең көп тексерілген материал болып табылады. Тағы бір артықшылығы - бұл материалдарды Жерден шикізатты тасымалдау қажеттілігінсіз өз орнында өндіруге болады. Сонымен қатар, реголит - сарқылмайтын материал көзі, бұл тапшылықтың алдын алуға көмектеседі.
3D басып шығару технологиясын аэроғарыш өнеркәсібінде қолдану
3D басып шығару технологиясын аэроғарыш өнеркәсібінде қолдану қолданылатын нақты процеске байланысты өзгеруі мүмкін. Мысалы, лазерлік ұнтақ қабатының балқытуын (L-PBF) құрал жүйелері немесе ғарыштық қосалқы бөлшектер сияқты күрделі қысқа мерзімді бөлшектерді өндіру үшін пайдалануға болады. Калифорнияда орналасқан Launcher стартапы E-2 сұйық зымыран қозғалтқышын жақсарту үшін Velo3D компаниясының сапфир-металл 3D басып шығару технологиясын пайдаланды. Өндірушінің процесі LOX (сұйық оттегі) жану камерасына үдеуде және айдауда маңызды рөл атқаратын индукциялық турбинаны жасау үшін пайдаланылды. Турбина мен сенсордың әрқайсысы 3D басып шығару технологиясын пайдаланып басып шығарылып, содан кейін жиналды. Бұл инновациялық компонент зымыранға сұйықтықтың үлкен ағынын және күштірек тарту күшін қамтамасыз етеді, бұл оны қозғалтқыштың маңызды бөлігі етеді.
Velo3D компаниясы E-2 сұйық зымыран қозғалтқышын өндіруде PBF технологиясын қолдануға үлес қосты.
Қоспа өндірісінің кең қолданылуы бар, соның ішінде шағын және ірі құрылымдарды өндіру. Мысалы, Relativity Space компаниясының Stargate шешімі сияқты 3D басып шығару технологияларын зымыран отын бактары мен пропеллер қалақтары сияқты ірі бөлшектерді жасау үшін пайдалануға болады. Relativity Space мұны бірнеше метрлік отын багын қоса алғанда, толығымен дерлік 3D басып шығарылған зымыран Terran 1-ді сәтті өндіру арқылы дәлелдеді. Оның 2023 жылдың 23 наурызындағы алғашқы ұшырылуы қоспа өндірісі процестерінің тиімділігі мен сенімділігін көрсетті.
Экструзияға негізделген 3D басып шығару технологиясы PEEK сияқты жоғары өнімді материалдарды пайдаланып бөлшектерді өндіруге мүмкіндік береді. Бұл термопластиктен жасалған компоненттер ғарышта сынақтан өтті және БАӘ Ай миссиясының бөлігі ретінде Рашид роверіне орналастырылды. Бұл сынақтың мақсаты PEEK-тің айдың экстремалды жағдайларына төзімділігін бағалау болды. Егер сәтті болса, PEEK металл бөлшектері сынған немесе материалдар тапшы болған жағдайларда металл бөлшектерді ауыстыра алады. Сонымен қатар, PEEK-тің жеңіл қасиеттері ғарышты зерттеуде құнды болуы мүмкін.
3D басып шығару технологиясын аэроғарыш өнеркәсібіне арналған әртүрлі бөлшектерді жасау үшін пайдалануға болады.
Аэроғарыш саласында 3D басып шығарудың артықшылықтары
Аэроғарыш саласындағы 3D басып шығарудың артықшылықтарына дәстүрлі құрылыс әдістерімен салыстырғанда бөлшектердің соңғы көрінісін жақсарту жатады. Австриялық 3D принтер өндірушісі Lithoz компаниясының бас директоры Йоханнес Хома «бұл технология бөлшектерді жеңілдетеді» деп мәлімдеді. Дизайн еркіндігінің арқасында 3D басып шығарылған өнімдер тиімдірек және аз ресурстарды қажет етеді. Бұл бөлшектер өндірісінің қоршаған ортаға әсеріне оң әсер етеді. Relativity Space компаниясы аддитивті өндіріс ғарыш аппараттарын өндіру үшін қажетті компоненттер санын айтарлықтай азайта алатынын көрсетті. Terran 1 зымыраны үшін 100 бөлшек үнемделді. Сонымен қатар, бұл технология өндіріс жылдамдығында айтарлықтай артықшылықтарға ие, зымыран 60 күннен аз уақыт ішінде аяқталады. Керісінше, дәстүрлі әдістерді қолдана отырып, зымыран жасау бірнеше жылға созылуы мүмкін.
Ресурстарды басқаруға келетін болсақ, 3D басып шығару материалдарды үнемдеуге және кейбір жағдайларда тіпті қалдықтарды қайта өңдеуге мүмкіндік береді. Соңында, аддитивті өндіріс зымырандардың ұшу салмағын азайту үшін құнды активке айналуы мүмкін. Мақсат - реголит сияқты жергілікті материалдарды барынша пайдалану және ғарыш кемелеріндегі материалдарды тасымалдауды азайту. Бұл сапардан кейін барлығын орнында жасай алатын тек 3D принтерді алып жүруге мүмкіндік береді.
Made in Space компаниясы сынақтан өткізу үшін ғарышқа 3D принтерлерінің бірін жіберді.
Ғарышта 3D басып шығарудың шектеулері
3D басып шығарудың көптеген артықшылықтары болғанымен, бұл технология әлі де салыстырмалы түрде жаңа және шектеулері бар. Адвенит Макая: «Аэроғарыш өнеркәсібіндегі аддитивті өндірістің негізгі мәселелерінің бірі - процесті бақылау және валидациялау», - деді. Өндірушілер зертханаға кіріп, әрбір бөлшектің беріктігін, сенімділігін және микроқұрылымын валидация алдында тексере алады, бұл процесс бұзбайтын сынақ (NDT) деп аталады. Дегенмен, бұл уақытты қажет ететін және қымбат болуы мүмкін, сондықтан түпкі мақсат - бұл сынақтарға деген қажеттілікті азайту. NASA жақында осы мәселені шешу үшін аддитивті өндіріс арқылы өндірілген металл компоненттерін жылдам сертификаттауға бағытталған орталық құрды. Орталық өнімдердің компьютерлік модельдерін жақсарту үшін сандық егіздерді пайдалануды мақсат етеді, бұл инженерлерге бөлшектердің өнімділігі мен шектеулерін, соның ішінде сынғанға дейін қанша қысымға төтеп бере алатынын жақсы түсінуге көмектеседі. Осылайша, орталық аэроғарыш өнеркәсібінде 3D басып шығаруды қолдануды ілгерілетуге көмектесуге үміттенеді, бұл оны дәстүрлі өндіріс әдістерімен бәсекелесуде тиімдірек етеді.
Бұл компоненттер кешенді сенімділік пен беріктік сынақтарынан өтті.
Екінші жағынан, егер өндіріс ғарышта жүргізілсе, тексеру процесі басқаша болады. ESA-дан Адвенит Макая былай деп түсіндіреді: «Басып шығару кезінде бөлшектерді талдауды қамтитын әдіс бар». Бұл әдіс қай басылған өнімдердің қолайлы, қайсысы жарамсыз екенін анықтауға көмектеседі. Сонымен қатар, ғарышта қолдануға арналған 3D принтерлерге арналған өзін-өзі түзету жүйесі бар және металл машиналарда сынақтан өткізілуде. Бұл жүйе өндіріс процесіндегі ықтимал қателерді анықтай алады және бөлшектегі кез келген ақауларды түзету үшін параметрлерін автоматты түрде өзгерте алады. Бұл екі жүйе ғарышта басылған өнімдердің сенімділігін арттырады деп күтілуде.
3D басып шығару шешімдерін тексеру үшін NASA және ESA стандарттарды белгіледі. Бұл стандарттар бөлшектердің сенімділігін анықтауға арналған бірқатар сынақтарды қамтиды. Олар ұнтақ қабаттарын балқыту технологиясын қарастырады және оларды басқа процестер үшін жаңартып отырады. Дегенмен, Arkema, BASF, Dupont және Sabic сияқты материалдар өнеркәсібіндегі көптеген ірі ойыншылар да осы бақылауды қамтамасыз етеді.
Ғарышта өмір сүру?
3D басып шығару технологиясының дамуымен біз Жерде осы технологияны үйлер салу үшін пайдаланатын көптеген табысты жобаларды көрдік. Бұл бізді бұл процесті жақын немесе алыс болашақта ғарышта тұруға жарамды құрылымдар салу үшін пайдалануға бола ма деген ойға қалдырады. Қазіргі уақытта ғарышта өмір сүру мүмкін емес болса да, үйлер салу, әсіресе айда, ғарышкерлер үшін ғарыштық миссияларды орындауда пайдалы болуы мүмкін. Еуропалық ғарыш агенттігінің (ЕҒА) мақсаты - ғарышкерлерді радиациядан қорғау үшін қабырғалар немесе кірпіштер салу үшін пайдаланылуы мүмкін ай реголитін пайдаланып, айда күмбездер салу. ЕҒА-дан Адвенит Макаяның айтуынша, ай реголитінің құрамы шамамен 60% металлдан және 40% оттегіден тұрады және ғарышкерлердің өмір сүруі үшін маңызды материал болып табылады, себебі ол осы материалдан алынған жағдайда шексіз оттегі көзін қамтамасыз ете алады.
NASA Ай бетінде құрылымдар салуға арналған 3D басып шығару жүйесін әзірлеу үшін ICON-ға 57,2 миллион доллар грант бөлді және сонымен қатар компаниямен бірге Марстағы Dune Alpha тіршілік ету ортасын жасау үшін ынтымақтастықта. Мақсат - еріктілерді Қызыл планетадағы жағдайларды модельдеу арқылы бір жыл бойы тіршілік ету ортасында тұрғызу арқылы Марстағы тіршілік ету жағдайларын тексеру. Бұл күш-жігер Ай мен Марста 3D басып шығарылған құрылымдарды тікелей салу жолындағы маңызды қадамдарды білдіреді, бұл ақырында адамның ғарышты отарлауына жол ашуы мүмкін.
Алыс болашақта бұл үйлер ғарышта тіршіліктің сақталуына мүмкіндік бере алады.
Жарияланған уақыты: 2023 жылғы 14 маусым
