Sedan 1900-talet har mänskligheten varit fascinerad av att utforska rymden och förstå vad som finns bortom jorden. Stora organisationer som NASA och ESA har legat i framkant inom rymdutforskning, och en annan viktig aktör i denna erövring är 3D-utskrift. Med möjligheten att snabbt producera komplexa delar till låg kostnad blir denna designteknik alltmer populär bland företag. Den möjliggör skapandet av många tillämpningar, såsom satelliter, rymddräkter och raketkomponenter. Enligt SmarTech förväntas marknadsvärdet för additiv tillverkning inom den privata rymdindustrin uppgå till 2,1 miljarder euro år 2026. Detta väcker frågan: Hur kan 3D-utskrift hjälpa människor att utmärka sig i rymden?
Ursprungligen användes 3D-utskrift främst för snabb prototypframställning inom medicin-, fordons- och flygindustrin. Men i takt med att tekniken har blivit mer utbredd används den alltmer för komponenter för slutändan. Metalladditiv tillverkningsteknik, särskilt L-PBF, har möjliggjort produktion av en mängd olika metaller med egenskaper och hållbarhet som är lämpliga för extrema rymdförhållanden. Andra 3D-utskriftstekniker, såsom DED, binderjetting och extruderingsprocess, används också vid tillverkning av flyg- och rymdkomponenter. På senare år har nya affärsmodeller dykt upp, där företag som Made in Space och Relativity Space använder 3D-utskriftsteknik för att designa flyg- och rymdkomponenter.
Relativity Space utvecklar 3D-skrivare för flygindustrin
3D-utskriftsteknik inom flyg- och rymdfart
Nu när vi har introducerat dem, låt oss titta närmare på de olika 3D-utskriftstekniker som används inom flygindustrin. Först bör det noteras att metalladditiv tillverkning, särskilt L-PBF, är den mest använda inom detta område. Denna process innebär att laserenergi används för att smälta samman metallpulver lager för lager. Den är särskilt lämplig för att producera små, komplexa, exakta och kundanpassade delar. Flygindustrin kan också dra nytta av DED, som innebär att metalltråd eller pulver deponeras och huvudsakligen används för reparation, beläggning eller produktion av kundanpassade metall- eller keramiska delar.
Däremot är bindemedelssprutning, även om det är fördelaktigt med tanke på produktionshastighet och låg kostnad, inte lämpligt för att producera högpresterande mekaniska delar eftersom det kräver efterbehandlingssteg som ökar tillverkningstiden för slutprodukten. Extruderingsteknik är också effektiv i rymdmiljöer. Det bör noteras att inte alla polymerer är lämpliga för användning i rymden, men högpresterande plaster som PEEK kan ersätta vissa metalldelar på grund av sin styrka. Denna 3D-utskriftsprocess är dock fortfarande inte särskilt utbredd, men den kan bli en värdefull tillgång för rymdutforskning genom att använda nya material.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) är en allmänt använd teknik inom 3D-utskrift för flyg- och rymdindustrin.
Potentialen för rymdmaterial
Flygindustrin har utforskat nya material genom 3D-utskrift och föreslagit innovativa alternativ som kan störa marknaden. Medan metaller som titan, aluminium och nickel-kromlegeringar alltid har varit i huvudfokus, kan ett nytt material snart stjäla rampljuset: månregolit. Månregolit är ett lager av damm som täcker månen, och ESA har visat fördelarna med att kombinera det med 3D-utskrift. Advenit Makaya, senior tillverkningsingenjör på ESA, beskriver månregolit som lik betong, främst bestående av kisel och andra kemiska element som järn, magnesium, aluminium och syre. ESA har samarbetat med Lithoz för att producera små funktionella delar som skruvar och kugghjul med hjälp av simulerad månregolit med egenskaper som liknar riktigt måndamm.
De flesta processer som används vid tillverkning av månregolit använder värme, vilket gör den kompatibel med tekniker som SLS och pulverbindningslösningar för tryck. ESA använder också D-Shape-teknik med målet att producera fasta delar genom att blanda magnesiumklorid med material och kombinera den med magnesiumoxid som finns i det simulerade provet. En av de betydande fördelarna med detta månmaterial är dess finare tryckupplösning, vilket gör det möjligt att producera delar med högsta precision. Denna egenskap skulle kunna bli den främsta tillgången för att utöka användningsområdet och tillverkningen av komponenter för framtida månbaser.
Månregolit finns överallt
Det finns också marsisk regolit, som syftar på material från underjorden som hittats på Mars. För närvarande kan internationella rymdorganisationer inte utvinna detta material, men detta har inte hindrat forskare från att undersöka dess potential i vissa rymdprojekt. Forskare använder simulerade exemplar av detta material och kombinerar det med titanlegering för att producera verktyg eller raketkomponenter. Initiala resultat tyder på att detta material kommer att ge högre hållfasthet och skydda utrustning från rost och strålskador. Även om dessa två material har liknande egenskaper är månregolit fortfarande det mest testade materialet. En annan fördel är att dessa material kan tillverkas på plats utan att råvaror behöver transporteras från jorden. Dessutom är regolit en outtömlig materialkälla, vilket bidrar till att förhindra brist.
Tillämpningar av 3D-utskriftsteknik inom flygindustrin
Tillämpningarna av 3D-utskriftsteknik inom flygindustrin kan variera beroende på vilken specifik process som används. Till exempel kan laserpulverbäddfusion (L-PBF) användas för att tillverka komplicerade kortsiktiga delar, såsom verktygssystem eller rymdreservdelar. Launcher, en startup baserad i Kalifornien, använde Velo3Ds 3D-utskriftsteknik av safirmetall för att förbättra sin E-2-vätskeraketmotor. Tillverkarens process användes för att skapa induktionsturbinen, som spelar en avgörande roll för att accelerera och driva LOX (flytande syre) in i förbränningskammaren. Turbinen och sensorn trycktes båda med 3D-utskriftsteknik och monterades sedan. Denna innovativa komponent ger raketen större vätskeflöde och större dragkraft, vilket gör den till en viktig del av motorn.
Velo3D bidrog till användningen av PBF-teknik vid tillverkningen av den flytande raketmotorn E-2.
Additiv tillverkning har breda tillämpningar, inklusive produktion av små och stora strukturer. Till exempel kan 3D-utskriftstekniker som Relativity Spaces Stargate-lösning användas för att tillverka stora delar som raketbränsletankar och propellerblad. Relativity Space har bevisat detta genom den framgångsrika produktionen av Terran 1, en nästan helt 3D-utskriven raket, inklusive en flera meter lång bränsletank. Dess första uppskjutning den 23 mars 2023 demonstrerade effektiviteten och tillförlitligheten hos additiva tillverkningsprocesser.
Extruderingsbaserad 3D-utskriftsteknik möjliggör också produktion av delar med högpresterande material som PEEK. Komponenter tillverkade av denna termoplast har redan testats i rymden och placerades på Rashid-rovern som en del av månuppdraget i Förenade Arabemiraten. Syftet med detta test var att utvärdera PEEKs motståndskraft mot extrema månförhållanden. Om det lyckas kan PEEK eventuellt ersätta metalldelar i situationer där metalldelar går sönder eller material är en bristvara. Dessutom kan PEEKs lättviktsegenskaper vara värdefulla vid rymdutforskning.
3D-utskriftsteknik kan användas för att tillverka en mängd olika delar för flygindustrin.
Fördelar med 3D-utskrift inom flygindustrin
Fördelarna med 3D-utskrift inom flygindustrin inkluderar ett förbättrat slutligt utseende på delarna jämfört med traditionella konstruktionstekniker. Johannes Homa, VD för den österrikiska 3D-skrivartillverkaren Lithoz, uppgav att "denna teknik gör delarna lättare". Tack vare designfriheten är 3D-utskrivna produkter effektivare och kräver färre resurser. Detta har en positiv inverkan på miljöpåverkan från delproduktionen. Relativity Space har visat att additiv tillverkning avsevärt kan minska antalet komponenter som krävs för att tillverka rymdfarkoster. För Terran 1-raketen sparades 100 delar. Dessutom har denna teknik betydande fördelar i produktionshastighet, då raketen färdigställs på mindre än 60 dagar. Däremot kan tillverkning av en raket med traditionella metoder ta flera år.
När det gäller resurshantering kan 3D-utskrift spara material och i vissa fall till och med möjliggöra avfallsåtervinning. Slutligen kan additiv tillverkning bli en värdefull tillgång för att minska raketernas startvikt. Målet är att maximera användningen av lokala material, såsom regolit, och minimera transport av material i rymdfarkoster. Detta gör det möjligt att bara bära med sig en 3D-skrivare, som kan skapa allt på plats efter resan.
Made in Space har redan skickat en av sina 3D-skrivare till rymden för testning.
Begränsningar med 3D-utskrift i rymden
Även om 3D-utskrift har många fördelar är tekniken fortfarande relativt ny och har begränsningar. Advenit Makaya konstaterade: "Ett av de största problemen med additiv tillverkning inom flygindustrin är processkontroll och validering." Tillverkare kan gå in i labbet och testa varje dels styrka, tillförlitlighet och mikrostruktur före validering, en process som kallas icke-förstörande provning (NDT). Detta kan dock vara både tidskrävande och dyrt, så det slutgiltiga målet är att minska behovet av dessa tester. NASA etablerade nyligen ett center för att ta itu med denna fråga, med fokus på snabb certifiering av metallkomponenter som tillverkas genom additiv tillverkning. Centret syftar till att använda digitala tvillingar för att förbättra datormodeller av produkter, vilket kommer att hjälpa ingenjörer att bättre förstå prestandan och begränsningarna hos delar, inklusive hur mycket tryck de kan motstå innan de går sönder. Genom att göra det hoppas centret kunna bidra till att främja tillämpningen av 3D-utskrift inom flygindustrin, vilket gör den mer effektiv i konkurrensen med traditionella tillverkningstekniker.
Dessa komponenter har genomgått omfattande tillförlitlighets- och hållfasthetstester.
Å andra sidan är verifieringsprocessen annorlunda om tillverkningen sker i rymden. ESA:s Advenit Makaya förklarar: "Det finns en teknik som innebär att man analyserar delarna under utskrift." Denna metod hjälper till att avgöra vilka tryckta produkter som är lämpliga och vilka som inte är det. Dessutom finns det ett självkorrigeringssystem för 3D-skrivare avsedda för rymden som testas på metallmaskiner. Detta system kan identifiera potentiella fel i tillverkningsprocessen och automatiskt ändra dess parametrar för att korrigera eventuella defekter i delen. Dessa två system förväntas förbättra tillförlitligheten hos tryckta produkter i rymden.
För att validera 3D-utskriftslösningar har NASA och ESA etablerat standarder. Dessa standarder inkluderar en serie tester för att fastställa delarnas tillförlitlighet. De tar hänsyn till pulverbäddsfusionsteknik och uppdaterar dem för andra processer. Många stora aktörer inom materialindustrin, såsom Arkema, BASF, Dupont och Sabic, erbjuder dock även denna spårbarhet.
Bor i rymden?
Med utvecklingen av 3D-utskriftsteknik har vi sett många framgångsrika projekt på jorden som använder denna teknik för att bygga hus. Detta får oss att undra om denna process kan användas i en nära eller avlägsen framtid för att konstruera beboeliga strukturer i rymden. Även om det för närvarande är orealistiskt att bo i rymden, kan det vara fördelaktigt för astronauter att bygga hus, särskilt på månen, när de utför rymduppdrag. Europeiska rymdorganisationens (ESA) mål är att bygga kupoler på månen med hjälp av månregolit, som kan användas för att bygga väggar eller tegelstenar för att skydda astronauter från strålning. Enligt Advenit Makaya från ESA består månregolit av cirka 60 % metall och 40 % syre och är ett viktigt material för astronauters överlevnad eftersom det kan ge en oändlig källa till syre om det utvinns ur detta material.
NASA har beviljat ICON ett bidrag på 57,2 miljoner dollar för att utveckla ett 3D-utskriftssystem för att bygga strukturer på månens yta och samarbetar även med företaget för att skapa en Mars Dune Alpha-habitat. Målet är att testa levnadsförhållandena på Mars genom att låta volontärer bo i en habitat i ett år och simulera förhållandena på den röda planeten. Dessa insatser representerar viktiga steg mot att direkt konstruera 3D-utskrivna strukturer på månen och Mars, vilket så småningom skulle kunna bana väg för mänsklig rymdkolonisering.
I en avlägsen framtid skulle dessa hus kunna göra det möjligt för liv att överleva i rymden.
Publiceringstid: 14 juni 2023
