از قرن بیستم، بشر مجذوب کاوش در فضا و درک آنچه در ورای زمین نهفته است، شده است. سازمانهای بزرگی مانند ناسا و آژانس فضایی اروپا (ESA) در خط مقدم اکتشافات فضایی بودهاند و یکی دیگر از بازیگران مهم در این فتح، چاپ سهبعدی است. با توانایی تولید سریع قطعات پیچیده با هزینه کم، این فناوری طراحی به طور فزایندهای در شرکتها محبوب میشود. این فناوری، ایجاد بسیاری از کاربردها، مانند ماهوارهها، لباسهای فضایی و اجزای موشک را ممکن میسازد. در واقع، طبق گفته SmarTech، انتظار میرود ارزش بازار تولید افزایشی صنعت فضایی خصوصی تا سال ۲۰۲۶ به ۲.۱ میلیارد یورو برسد. این موضوع این سوال را مطرح میکند: چاپ سهبعدی چگونه میتواند به انسانها در پیشرفت در فضا کمک کند؟
در ابتدا، چاپ سهبعدی عمدتاً برای نمونهسازی سریع در صنایع پزشکی، خودرو و هوافضا مورد استفاده قرار میگرفت. با این حال، با گسترش روزافزون این فناوری، به طور فزایندهای برای قطعات نهایی نیز مورد استفاده قرار میگیرد. فناوری تولید افزایشی فلزات، به ویژه L-PBF، امکان تولید انواع فلزات با ویژگیها و دوام مناسب برای شرایط سخت فضایی را فراهم کرده است. سایر فناوریهای چاپ سهبعدی، مانند DED، Binder Jetting و فرآیند اکستروژن نیز در ساخت قطعات هوافضا استفاده میشوند. در سالهای اخیر، مدلهای تجاری جدیدی ظهور کردهاند که شرکتهایی مانند Made in Space و Relativity Space از فناوری چاپ سهبعدی برای طراحی قطعات هوافضا استفاده میکنند.
شرکت Relativity Space در حال توسعه چاپگر سه بعدی برای صنعت هوافضا است.
فناوری چاپ سهبعدی در هوافضا
حالا که آنها را معرفی کردیم، بیایید نگاهی دقیقتر به فناوریهای مختلف چاپ سهبعدی مورد استفاده در صنعت هوافضا بیندازیم. ابتدا باید توجه داشت که تولید افزایشی فلز، به ویژه L-PBF، پرکاربردترین روش در این زمینه است. این فرآیند شامل استفاده از انرژی لیزر برای ذوب لایه به لایه پودر فلز است. این روش به ویژه برای تولید قطعات کوچک، پیچیده، دقیق و سفارشی مناسب است. تولیدکنندگان هوافضا همچنین میتوانند از DED بهرهمند شوند که شامل رسوب سیم یا پودر فلزی است و عمدتاً برای تعمیر، پوشش یا تولید قطعات فلزی یا سرامیکی سفارشی استفاده میشود.
در مقابل، جتینگ چسبان، اگرچه از نظر سرعت تولید و هزینه کم مزیت دارد، اما برای تولید قطعات مکانیکی با عملکرد بالا مناسب نیست زیرا به مراحل تقویت پس از پردازش نیاز دارد که زمان تولید محصول نهایی را افزایش میدهد. فناوری اکستروژن نیز در محیط فضایی مؤثر است. لازم به ذکر است که همه پلیمرها برای استفاده در فضا مناسب نیستند، اما پلاستیکهای با عملکرد بالا مانند PEEK به دلیل استحکام خود میتوانند جایگزین برخی از قطعات فلزی شوند. با این حال، این فرآیند چاپ سه بعدی هنوز خیلی گسترده نیست، اما میتواند با استفاده از مواد جدید به یک دارایی ارزشمند برای اکتشافات فضایی تبدیل شود.
همجوشی بستر پودر لیزری (L-PBF) یک فناوری پرکاربرد در چاپ سهبعدی برای هوافضا است.
پتانسیل مواد فضایی
صنعت هوافضا از طریق چاپ سهبعدی در حال بررسی مواد جدید بوده و جایگزینهای نوآورانهای را پیشنهاد میدهد که ممکن است بازار را متحول کند. در حالی که فلزاتی مانند تیتانیوم، آلومینیوم و آلیاژهای نیکل-کروم همیشه مورد توجه اصلی بودهاند، ممکن است به زودی یک ماده جدید توجه را به خود جلب کند: رگولیت ماه. رگولیت ماه لایهای از گرد و غبار است که ماه را پوشانده است و ESA مزایای ترکیب آن با چاپ سهبعدی را نشان داده است. ادونیت ماکایا، مهندس ارشد تولید ESA، رگولیت ماه را شبیه به بتن توصیف میکند که در درجه اول از سیلیکون و سایر عناصر شیمیایی مانند آهن، منیزیم، آلومینیوم و اکسیژن تشکیل شده است. ESA با Lithoz همکاری کرده است تا قطعات کاربردی کوچکی مانند پیچ و چرخ دنده را با استفاده از رگولیت شبیهسازی شده ماه با خواصی مشابه گرد و غبار واقعی ماه تولید کند.
بیشتر فرآیندهای مربوط به ساخت رگولیت ماه از گرما استفاده میکنند و این امر آن را با فناوریهایی مانند SLS و راهحلهای چاپ پیوند پودری سازگار میکند. ESA همچنین از فناوری D-Shape با هدف تولید قطعات جامد با مخلوط کردن کلرید منیزیم با مواد و ترکیب آن با اکسید منیزیم موجود در نمونه شبیهسازی شده استفاده میکند. یکی از مزایای قابل توجه این ماده ماه، وضوح چاپ دقیقتر آن است که آن را قادر میسازد قطعاتی با بالاترین دقت تولید کند. این ویژگی میتواند به دارایی اصلی در گسترش طیف کاربردها و ساخت قطعات برای پایگاههای قمری آینده تبدیل شود.
رگولیت قمری همه جا هست
همچنین رگولیت مریخی وجود دارد که به مواد زیرسطحی یافت شده در مریخ اشاره دارد. در حال حاضر، آژانسهای فضایی بینالمللی نمیتوانند این ماده را بازیابی کنند، اما این امر دانشمندان را از تحقیق در مورد پتانسیل آن در پروژههای هوافضای خاص باز نداشته است. محققان از نمونههای شبیهسازی شده این ماده استفاده میکنند و آن را با آلیاژ تیتانیوم ترکیب میکنند تا ابزار یا اجزای موشک تولید کنند. نتایج اولیه نشان میدهد که این ماده استحکام بالاتری را فراهم میکند و از تجهیزات در برابر زنگزدگی و آسیب ناشی از تشعشع محافظت میکند. اگرچه این دو ماده خواص مشابهی دارند، رگولیت ماه هنوز هم بیشترین ماده آزمایش شده است. مزیت دیگر این است که این مواد را میتوان بدون نیاز به حمل مواد اولیه از زمین، در محل تولید کرد. علاوه بر این، رگولیت یک منبع پایانناپذیر مواد است که به جلوگیری از کمبود کمک میکند.
کاربردهای فناوری چاپ سهبعدی در صنعت هوافضا
کاربردهای فناوری چاپ سهبعدی در صنعت هوافضا بسته به فرآیند خاص مورد استفاده میتواند متفاوت باشد. به عنوان مثال، همجوشی بستر پودر لیزری (L-PBF) میتواند برای تولید قطعات پیچیده کوتاهمدت، مانند سیستمهای ابزار یا قطعات یدکی فضایی استفاده شود. لانچر، یک استارتاپ مستقر در کالیفرنیا، از فناوری چاپ سهبعدی یاقوت کبود Velo3D برای ارتقاء موتور موشک مایع E-2 خود استفاده کرد. از فرآیند این سازنده برای ایجاد توربین القایی استفاده شد که نقش مهمی در شتابدهی و هدایت LOX (اکسیژن مایع) به محفظه احتراق دارد. توربین و حسگر هر کدام با استفاده از فناوری چاپ سهبعدی چاپ و سپس مونتاژ شدند. این قطعه نوآورانه جریان سیال و نیروی رانش بیشتری را برای موشک فراهم میکند و آن را به بخش اساسی موتور تبدیل میکند.
شرکت Velo3D در استفاده از فناوری PBF در ساخت موتور موشک سوخت مایع E-2 مشارکت داشت.
تولید افزایشی کاربردهای گستردهای دارد، از جمله تولید سازههای کوچک و بزرگ. به عنوان مثال، فناوریهای چاپ سهبعدی مانند راهکار Stargate شرکت Relativity Space میتوانند برای تولید قطعات بزرگی مانند مخازن سوخت موشک و پرههای پروانه استفاده شوند. Relativity Space این موضوع را از طریق تولید موفقیتآمیز Terran 1، یک موشک تقریباً کاملاً چاپ سهبعدی شده، شامل یک مخزن سوخت چند متری، ثابت کرده است. اولین پرتاب آن در ۲۳ مارس ۲۰۲۳، کارایی و قابلیت اطمینان فرآیندهای تولید افزایشی را نشان داد.
فناوری چاپ سهبعدی مبتنی بر اکستروژن همچنین امکان تولید قطعات با استفاده از مواد با کارایی بالا مانند PEEK را فراهم میکند. قطعات ساخته شده از این ترموپلاستیک قبلاً در فضا آزمایش شدهاند و به عنوان بخشی از مأموریت قمری امارات متحده عربی روی مریخنورد رشید قرار داده شدند. هدف از این آزمایش ارزیابی مقاومت PEEK در برابر شرایط سخت قمری بود. در صورت موفقیت، PEEK ممکن است بتواند جایگزین قطعات فلزی در موقعیتهایی شود که قطعات فلزی میشکنند یا مواد کمیاب هستند. علاوه بر این، خواص سبک وزن PEEK ممکن است در اکتشافات فضایی ارزشمند باشد.
از فناوری چاپ سهبعدی میتوان برای ساخت انواع قطعات مورد نیاز در صنعت هوافضا استفاده کرد.
مزایای چاپ سه بعدی در صنعت هوافضا
مزایای چاپ سهبعدی در صنعت هوافضا شامل بهبود ظاهر نهایی قطعات در مقایسه با تکنیکهای ساخت سنتی است. یوهانس هما، مدیرعامل شرکت اتریشی تولیدکننده چاپگر سهبعدی لیتوز، اظهار داشت که "این فناوری قطعات را سبکتر میکند." به دلیل آزادی طراحی، محصولات چاپ سهبعدی کارآمدتر هستند و به منابع کمتری نیاز دارند. این امر تأثیر مثبتی بر تأثیر زیستمحیطی تولید قطعات دارد. شرکت Relativity Space نشان داده است که تولید افزایشی میتواند تعداد اجزای مورد نیاز برای ساخت فضاپیما را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. برای موشک Terran 1، 100 قطعه صرفهجویی شد. علاوه بر این، این فناوری مزایای قابل توجهی در سرعت تولید دارد، به طوری که موشک در کمتر از 60 روز تکمیل میشود. در مقابل، ساخت موشک با استفاده از روشهای سنتی میتواند چندین سال طول بکشد.
در مورد مدیریت منابع، چاپ سهبعدی میتواند در مصرف مواد صرفهجویی کند و در برخی موارد حتی امکان بازیافت زباله را نیز فراهم کند. در نهایت، تولید افزایشی میتواند به یک دارایی ارزشمند برای کاهش وزن برخاست موشکها تبدیل شود. هدف، به حداکثر رساندن استفاده از مواد محلی مانند رگولیت و به حداقل رساندن حمل مواد در فضاپیما است. این امر حمل تنها یک چاپگر سهبعدی را ممکن میسازد که میتواند پس از سفر همه چیز را در محل ایجاد کند.
شرکت Made in Space پیش از این یکی از چاپگرهای سهبعدی خود را برای آزمایش به فضا فرستاده است.
محدودیتهای چاپ سهبعدی در فضا
اگرچه چاپ سهبعدی مزایای زیادی دارد، اما این فناوری هنوز نسبتاً جدید است و محدودیتهایی دارد. ادونیت ماکایا اظهار داشت: «یکی از مشکلات اصلی تولید افزایشی در صنعت هوافضا، کنترل فرآیند و اعتبارسنجی است.» تولیدکنندگان میتوانند وارد آزمایشگاه شوند و قبل از اعتبارسنجی، استحکام، قابلیت اطمینان و ریزساختار هر قطعه را آزمایش کنند، فرآیندی که به عنوان آزمایش غیرمخرب (NDT) شناخته میشود. با این حال، این میتواند هم زمانبر و هم گران باشد، بنابراین هدف نهایی کاهش نیاز به این آزمایشها است. ناسا اخیراً مرکزی را برای رسیدگی به این موضوع تأسیس کرده است که بر صدور گواهینامه سریع قطعات فلزی تولید شده توسط تولید افزایشی متمرکز است. این مرکز قصد دارد از دوقلوهای دیجیتال برای بهبود مدلهای کامپیوتری محصولات استفاده کند که به مهندسان کمک میکند تا عملکرد و محدودیتهای قطعات، از جمله میزان فشاری که میتوانند قبل از شکستگی تحمل کنند را بهتر درک کنند. با انجام این کار، این مرکز امیدوار است به ترویج کاربرد چاپ سهبعدی در صنعت هوافضا کمک کند و آن را در رقابت با تکنیکهای تولید سنتی مؤثرتر سازد.
این اجزا تحت آزمایشهای جامع قابلیت اطمینان و استحکام قرار گرفتهاند.
از سوی دیگر، اگر تولید در فضا انجام شود، فرآیند تأیید متفاوت است. ادونیت ماکایا از ESA توضیح میدهد: «تکنیکی وجود دارد که شامل تجزیه و تحلیل قطعات در حین چاپ است.» این روش به تعیین اینکه کدام محصولات چاپ شده مناسب هستند و کدامها مناسب نیستند، کمک میکند. علاوه بر این، یک سیستم خود-اصلاحی برای چاپگرهای سهبعدی در نظر گرفته شده برای فضا وجود دارد و روی ماشینهای فلزی آزمایش میشود. این سیستم میتواند خطاهای احتمالی در فرآیند تولید را شناسایی کرده و به طور خودکار پارامترهای خود را برای اصلاح هرگونه نقص در قطعه اصلاح کند. انتظار میرود این دو سیستم، قابلیت اطمینان محصولات چاپ شده در فضا را بهبود بخشند.
برای اعتبارسنجی راهکارهای چاپ سهبعدی، ناسا و آژانس فضایی اروپا (ESA) استانداردهایی را وضع کردهاند. این استانداردها شامل مجموعهای از آزمایشها برای تعیین قابلیت اطمینان قطعات هستند. آنها فناوری همجوشی بستر پودری را در نظر میگیرند و در حال بهروزرسانی آنها برای سایر فرآیندها هستند. با این حال، بسیاری از بازیگران اصلی در صنعت مواد، مانند Arkema، BASF، Dupont و Sabic، این قابلیت ردیابی را نیز ارائه میدهند.
زندگی در فضا؟
با پیشرفت فناوری چاپ سهبعدی، شاهد پروژههای موفق بسیاری در زمین بودهایم که از این فناوری برای ساخت خانه استفاده میکنند. این موضوع ما را به این فکر میاندازد که آیا این فرآیند ممکن است در آیندهای نزدیک یا دور برای ساخت سازههای قابل سکونت در فضا مورد استفاده قرار گیرد یا خیر. در حالی که زندگی در فضا در حال حاضر غیرواقعی است، ساخت خانهها، به ویژه در ماه، میتواند برای فضانوردان در اجرای ماموریتهای فضایی مفید باشد. هدف آژانس فضایی اروپا (ESA) ساخت گنبدهایی روی ماه با استفاده از رگولیت ماه است که میتواند برای ساخت دیوارها یا آجرهایی برای محافظت از فضانوردان در برابر تشعشعات استفاده شود. به گفته آدونیت ماکایا از ESA، رگولیت ماه از حدود ۶۰٪ فلز و ۴۰٪ اکسیژن تشکیل شده است و یک ماده ضروری برای بقای فضانوردان است زیرا در صورت استخراج از این ماده میتواند منبع بیپایانی از اکسیژن را فراهم کند.
ناسا ۵۷.۲ میلیون دلار کمک هزینه به ICON برای توسعه یک سیستم چاپ سهبعدی برای ساخت سازهها روی سطح ماه اعطا کرده است و همچنین با این شرکت برای ایجاد یک زیستگاه Mars Dune Alpha همکاری میکند. هدف، آزمایش شرایط زندگی در مریخ با دعوت از داوطلبان برای زندگی در یک زیستگاه به مدت یک سال و شبیهسازی شرایط سیاره سرخ است. این تلاشها گامهای مهمی در جهت ساخت مستقیم سازههای چاپ سهبعدی روی ماه و مریخ هستند که در نهایت میتواند راه را برای استعمار فضایی انسان هموار کند.
در آیندهای دور، این خانهها میتوانند امکان ادامه حیات در فضا را فراهم کنند.
زمان ارسال: ۱۴ ژوئن ۲۰۲۳
