Sedan 1900-talet har människosläktet fascinerats av att utforska rymden och förstå vad som finns bortom jorden.Stora organisationer som NASA och ESA har legat i framkant när det gäller rymdutforskning, och en annan viktig aktör i denna erövring är 3D-utskrift.Med förmågan att snabbt producera komplexa delar till låg kostnad, blir denna designteknik allt mer populär i företag.Det gör det möjligt att skapa många applikationer, såsom satelliter, rymddräkter och raketkomponenter.I själva verket, enligt SmarTech, förväntas marknadsvärdet av den privata rymdindustrins additiv tillverkning uppgå till 2,1 miljarder euro år 2026. Detta väcker frågan: Hur kan 3D-utskrift hjälpa människor att utmärka sig i rymden?
Inledningsvis 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 slutliga komponenter.Tillverkningsteknik för metalltillsatser, särskilt L-PBF, har möjliggjort produktion av en mängd olika metaller med egenskaper och hållbarhet som är lämpliga för extrema utrymmesförhållanden.Andra 3D-utskriftstekniker, såsom DED, bindemedelssprutning och extruderingsprocess, används också vid tillverkning av flyg- och rymdkomponenter.Under de senaste åren har nya affärsmodeller dykt upp, med företag som Made in Space och Relativity Space som använder 3D-utskriftsteknik för att designa flyg- och rymdkomponenter.
Relativity Space utvecklande 3D-skrivare för flygindustrin
3D-utskriftsteknik inom flyg- och rymdindustrin
Nu när vi har introducerat dem, låt oss ta en närmare titt på de olika 3D-utskriftstekniker som används inom flygindustrin.För det första bör det noteras att tillverkning av metalltillsatser, särskilt L-PBF, är den mest använda inom detta område.Denna process innebär att man använder laserenergi för att smälta samman metallpulver lager för lager.Den är särskilt lämplig för att producera små, komplexa, exakta och kundanpassade delar.Flygtillverkare kan också dra nytta av DED, som innebär avsättning av metalltråd eller pulver och som huvudsakligen används för att reparera, belägga eller tillverka skräddarsydda metall- eller keramiska delar.
Däremot är bindemedelssprutning, även om det är fördelaktigt i termer av produktionshastighet och låg kostnad, inte lämpligt för att producera högpresterande mekaniska delar eftersom det kräver efterbearbetningsförstärkningssteg som ökar tillverkningstiden för slutprodukten.Extruderingsteknik är också effektiv i rymdmiljön.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 mycket använd teknik inom 3D-utskrift för flyg- och rymdfart.
Potential för rymdmaterial
Flygindustrin har utforskat nya material genom 3D-utskrift och har föreslagit innovativa alternativ som kan störa marknaden.Medan metaller som titan, aluminium och nickel-kromlegeringar alltid har varit i fokus, 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, en senior tillverkningsingenjör på ESA, beskriver månregolit som liknar betong, huvudsakligen uppbyggd 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 av processerna som är involverade i tillverkningen av månregolit använder värme, vilket gör den kompatibel med teknologier som SLS och pulverbindande utskriftslösningar.ESA använder också D-Shape-teknik med målet att producera fasta delar genom att blanda magnesiumklorid med material och kombinera det med magnesiumoxid som finns i det simulerade provet.En av de betydande fördelarna med detta månmaterial är dess finare utskriftsupplösning, vilket gör att det kan producera delar med högsta precision.Denna funktion kan bli den primära tillgången för att utöka utbudet av applikationer och tillverkning av komponenter för framtida månbaser.
Lunar Regolith är överallt
Det finns också Mars regolit, hänvisar till underjordiskt material som finns på Mars.För närvarande kan internationella rymdorganisationer inte återvinna detta material, men detta har inte hindrat forskare från att undersöka dess potential i vissa flygprojekt.Forskare använder simulerade exemplar av detta material och kombinerar det med titanlegering för att producera verktyg eller raketkomponenter.De första resultaten tyder på att detta material kommer att ge högre hållfasthet och skydda utrustning från rost och strålningsskador.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 man behöver transportera råvaror från jorden.Dessutom är regolit en outtömlig materialkälla som hjälper till att förhindra brist.
Tillämpningarna av 3D-utskriftsteknik inom flygindustrin
Tillämpningarna av 3D-utskriftsteknik inom flygindustrin kan variera beroende på den specifika process som används.Till exempel kan laserpulverbäddfusion (L-PBF) användas för att tillverka intrikat kortsiktiga delar, såsom verktygssystem eller reservdelar för rymd.Launcher, en Kalifornien-baserad startup, använde Velo3D:s safirmetall 3D-utskriftsteknik för att förbättra sin E-2 flytande raketmotor.Tillverkarens process användes för att skapa induktionsturbinen, som spelar en avgörande roll för att accelerera och driva in LOX (flytande syre) i förbränningskammaren.Turbinen och sensorn skrevs ut med 3D-utskriftsteknik och sattes sedan ihop.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 tillverkning av E-2 flytande raketmotor.
Additiv tillverkning har breda tillämpningar, inklusive produktion av små och stora strukturer.Till exempel kan 3D-utskriftsteknologier 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-printad raket, inklusive en flera meter lång bränsletank.Dess första lansering den 23 mars 2023 visade effektiviteten och tillförlitligheten hos additiv tillverkningsprocesser.
Extruderingsbaserad 3D-utskriftsteknik möjliggör också produktion av delar med högpresterande material som PEEK.Komponenter gjorda av denna termoplast har redan testats i rymden och placerades på Rashid-rovern som en del av UAE:s månuppdrag.Syftet med detta test var att utvärdera PEEKs motståndskraft mot extrema månförhållanden.Om det lyckas kan PEEK kanske ersätta metalldelar i situationer där metalldelar går sönder eller material är ont om.Dessutom kan PEEKs lätta egenskaper vara av värde i 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 flyg- och rymdindustrin inkluderar förbättrat slutgiltigt utseende på delar jämfört med traditionell konstruktionsteknik.Johannes Homa, VD för den österrikiska 3D-skrivartillverkaren Lithoz, sa att "denna teknik gör delar lättare."Tack vare designfriheten är 3D-tryckta produkter mer effektiva och kräver färre resurser.Detta har en positiv inverkan på delproduktionens miljöpåverkan.Relativitet Space har visat att additiv tillverkning avsevärt kan minska antalet komponenter som krävs för att tillverka rymdfarkoster.Till Terran 1-raketen sparades 100 delar.Dessutom har denna teknik betydande fördelar i produktionshastighet, med raketen som färdigställs på mindre än 60 dagar.Däremot kan det ta flera år att tillverka en raket med traditionella metoder.
När det gäller resurshantering kan 3D-utskrift spara material och i vissa fall även möjliggöra återvinning av avfall.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 transporten av material inom rymdfarkoster.Detta gör det möjligt att endast bära 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 för 3D-utskrift i rymden
Även om 3D-utskrift har många fördelar är tekniken fortfarande relativt ny och har begränsningar.Advenit Makaya sade, "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 innan validering, en process som kallas icke-förstörande testning (NDT).Detta kan dock vara både tidskrävande och dyrt, så det yttersta målet är att minska behovet av dessa tester.NASA etablerade nyligen ett center för att ta itu med denna fråga, fokuserat på snabb certifiering av metallkomponenter tillverkade 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 stå emot innan brott.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 hållfasthetstestning.
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 och 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 delars tillförlitlighet.De överväger pulverbäddsfusionsteknik och uppdaterar dem för andra processer.Men många stora aktörer inom materialindustrin, som Arkema, BASF, Dupont och Sabic, tillhandahåller också denna spårbarhet.
Bor du 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 leva i rymden, kan att bygga hus, särskilt på månen, vara fördelaktigt för astronauter när de utför rymduppdrag.Målet för European Space Agency (ESA) är att bygga kupoler på månen med hjälp av månregolit, som kan användas för att konstruera väggar eller tegelstenar för att skydda astronauter från strålning.Enligt Advenit Makaya från ESA består månregoliten av cirka 60 % metall och 40 % syre och är ett väsentligt material för astronauternas överlevnad eftersom den kan ge en oändlig källa till syre om den utvinns från detta material.
NASA har tilldelat ett anslag på 57,2 miljoner dollar till ICON för att utveckla ett 3D-utskriftssystem för att bygga strukturer på månens yta och samarbetar också med företaget för att skapa en Mars Dune Alpha-habitat.Målet är att testa levnadsförhållandena på Mars genom att låta volontärer bo i en livsmiljö i ett år och simulera förhållanden på den röda planeten.Dessa ansträngningar representerar viktiga steg mot att direkt konstruera 3D-utskrivna strukturer på månen och Mars, vilket så småningom kan bana väg för mänsklig rymdkolonisering.
I en avlägsen framtid kan dessa hus göra det möjligt för livet att överleva i rymden.
Posttid: 2023-jun-14