از قرن بیستم، نژاد بشر شیفته کاوش در فضا و درک آنچه در ورای زمین است، بوده است.سازمان های بزرگی مانند ناسا و اسا در خط مقدم اکتشافات فضایی بوده اند و یکی دیگر از بازیگران مهم در این فتح چاپ سه بعدی است.با توانایی تولید سریع قطعات پیچیده با هزینه کم، این فناوری طراحی به طور فزاینده ای در شرکت ها محبوب می شود.ایجاد بسیاری از برنامه ها مانند ماهواره ها، لباس های فضایی و اجزای موشک را ممکن می کند.در واقع، طبق گفته SmarTech، انتظار می‌رود ارزش بازار تولید افزودنی‌های صنعت فضایی خصوصی تا سال 2026 به 2.1 میلیارد یورو برسد.
در ابتدا، چاپ سه بعدی عمدتاً برای نمونه سازی سریع در صنایع پزشکی، خودروسازی و هوافضا استفاده می شد.با این حال، از آنجایی که این فناوری گسترده تر شده است، به طور فزاینده ای برای اجزای هدف نهایی استفاده می شود.تکنولوژی ساخت افزودنی های فلزی، به ویژه L-PBF، امکان تولید انواع فلزات با ویژگی ها و دوام مناسب برای شرایط فضایی شدید را فراهم کرده است.سایر فناوری های پرینت سه بعدی مانند DED، بایندر جتینگ و فرآیند اکستروژن نیز در ساخت قطعات هوافضا استفاده می شوند.در سال‌های اخیر، مدل‌های کسب‌وکار جدیدی ظهور کرده‌اند که شرکت‌هایی مانند Made in Space و Relativity Space از فناوری چاپ سه بعدی برای طراحی اجزای هوافضا استفاده می‌کنند.
نسبیت اسپیس در حال توسعه چاپگر سه بعدی برای صنعت هوافضا
فناوری پرینت سه بعدی در هوافضا
اکنون که آنها را معرفی کردیم، بیایید نگاهی دقیق تر به فناوری های مختلف چاپ سه بعدی مورد استفاده در صنعت هوافضا بیندازیم.ابتدا باید توجه داشت که ساخت افزودنی های فلزی به ویژه L-PBF بیشترین کاربرد را در این زمینه دارد.این فرآیند شامل استفاده از انرژی لیزر برای ذوب لایه به لایه پودر فلز است.به ویژه برای تولید قطعات کوچک، پیچیده، دقیق و سفارشی مناسب است.سازندگان هوافضا همچنین می توانند از DED بهره مند شوند که شامل رسوب سیم یا پودر فلزی است و عمدتاً برای تعمیر، پوشش یا تولید قطعات فلزی یا سرامیکی سفارشی استفاده می شود.
در مقابل، جت بایندر اگرچه از نظر سرعت تولید و هزینه کم سودمند است، اما برای تولید قطعات مکانیکی با کارایی بالا مناسب نیست زیرا نیازمند مراحل تقویت پس از پردازش است که زمان ساخت محصول نهایی را افزایش می‌دهد.فناوری اکستروژن در محیط فضایی نیز موثر است.لازم به ذکر است که همه پلیمرها برای استفاده در فضا مناسب نیستند، اما پلاستیک های با کارایی بالا مانند PEEK به دلیل استحکام می توانند جایگزین برخی از قطعات فلزی شوند.با این حال، این فرآیند پرینت سه بعدی هنوز خیلی گسترده نیست، اما می تواند با استفاده از مواد جدید به دارایی ارزشمندی برای اکتشاف فضا تبدیل شود.
لیزر پودر بستر فیوژن (L-PBF) یک فناوری پرکاربرد در پرینت سه بعدی برای هوافضا است.
پتانسیل مواد فضایی
صنعت هوافضا مواد جدید را از طریق پرینت سه بعدی کاوش می کند و جایگزین های نوآورانه ای را پیشنهاد می کند که ممکن است بازار را مختل کند.در حالی که فلزاتی مانند تیتانیوم، آلومینیوم و آلیاژهای نیکل-کروم همیشه تمرکز اصلی بوده اند، یک ماده جدید ممکن است به زودی توجه را به خود جلب کند: سنگ سنگی قمری.سنگ سنگی قمری لایه ای از غبار است که ماه را می پوشاند و ESA مزایای ترکیب آن با چاپ سه بعدی را نشان داده است.ادونیت ماکایا، مهندس ارشد ساخت ESA، سنگ سنگی ماه را شبیه بتن توصیف می کند که عمدتاً از سیلیکون و سایر عناصر شیمیایی مانند آهن، منیزیم، آلومینیوم و اکسیژن تشکیل شده است.ESA با Lithoz برای تولید قطعات کاربردی کوچک مانند پیچ ها و چرخ دنده ها با استفاده از سنگ سنگی شبیه سازی شده قمری با خواصی شبیه به غبار ماه واقعی همکاری کرده است.
اکثر فرآیندهای درگیر در ساخت سنگ سنگ قمری از گرما استفاده می کنند و آن را با فناوری هایی مانند SLS و محلول های چاپ پیوند پودری سازگار می کنند.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 شبیه سازی شده استفاده می کند.یکی از مزایای قابل توجه این ماده ماه، وضوح چاپ ریزتر آن است که به آن امکان می دهد قطعات را با بالاترین دقت تولید کند.این ویژگی می تواند به دارایی اصلی در گسترش دامنه کاربردها و اجزای سازنده برای پایگاه های قمری آینده تبدیل شود.
رگولیت قمری همه جا است
سنگ سنگ مریخی نیز 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 هوایی خاص بازنمی‌دارد.محققان از نمونه های شبیه سازی شده این ماده استفاده می کنند و آن را با آلیاژ تیتانیوم برای تولید ابزار یا اجزای موشک ترکیب می کنند.نتایج اولیه نشان می دهد که این ماده استحکام بالاتری را ارائه می دهد و تجهیزات را از زنگ زدگی و آسیب تشعشع محافظت می کند.اگرچه این دو ماده دارای خواص مشابهی هستند، سنگ سنگی قمری همچنان آزمایش‌شده‌ترین ماده است.مزیت دیگر این است که این مواد را می توان در محل بدون نیاز به حمل مواد خام از زمین تولید کرد.علاوه بر این، سنگ سنگ یک منبع مواد پایان ناپذیر است که به جلوگیری از کمبود کمک می کند.
کاربردهای فناوری پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا
کاربردهای فناوری پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا بسته به فرآیند خاص مورد استفاده می تواند متفاوت باشد.به عنوان مثال، لیزر پودر فیوژن بستر (L-PBF) می تواند برای تولید قطعات پیچیده کوتاه مدت، مانند سیستم های ابزار یا قطعات یدکی فضایی استفاده شود.لانچر، یک استارت آپ مستقر در کالیفرنیا، از فناوری چاپ سه بعدی یاقوت کبود-فلز Velo3D برای تقویت موتور موشک مایع E-2 خود استفاده کرد.فرآیند سازنده برای ایجاد توربین القایی استفاده شد که نقش مهمی در شتاب و هدایت LOX (اکسیژن مایع) به داخل محفظه احتراق دارد.توربین و حسگر هر کدام با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی چاپ و سپس مونتاژ شدند.این جزء نوآورانه جریان سیال بیشتر و نیروی رانش بیشتر را برای موشک فراهم می کند و آن را به بخشی ضروری از موتور تبدیل می کند.
Velo3D به استفاده از فناوری PBF در ساخت موتور موشک مایع E-2 کمک کرد.
تولید افزودنی کاربردهای گسترده ای دارد که از جمله آنها می توان به تولید سازه های کوچک و بزرگ اشاره کرد.به عنوان مثال، فناوری های چاپ سه بعدی مانند راه حل Stargate در فضای نسبیت می تواند برای ساخت قطعات بزرگ مانند مخازن سوخت موشک و تیغه های پروانه استفاده شود.Relativity Space این را با تولید موفقیت آمیز Terran 1، یک موشک تقریباً به طور کامل با چاپ سه بعدی، از جمله مخزن سوخت چند متری، ثابت کرده است.اولین راه اندازی آن در 23 مارس 2023، کارایی و قابلیت اطمینان فرآیندهای تولید مواد افزودنی را نشان داد.
فناوری چاپ سه بعدی مبتنی بر اکستروژن همچنین امکان تولید قطعات با استفاده از مواد با کارایی بالا مانند PEEK را فراهم می کند.اجزای ساخته شده از این ترموپلاستیک قبلاً در فضا آزمایش شده و به عنوان بخشی از مأموریت ماه امارات روی مریخ نورد رشید قرار داده شده است.هدف از این آزمایش ارزیابی مقاومت PEEK در برابر شرایط شدید ماه بود.در صورت موفقیت آمیز بودن، PEEK ممکن است بتواند قطعات فلزی را در شرایطی که قطعات فلزی شکسته یا مواد کمیاب هستند جایگزین کند.علاوه بر این، ویژگی های سبک وزن PEEK ممکن است در اکتشاف فضایی ارزشمند باشد.
از فناوری پرینت سه بعدی می توان برای ساخت انواع قطعات برای صنعت هوافضا استفاده کرد.
مزایای پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا
از مزایای پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا می توان به بهبود ظاهر نهایی قطعات در مقایسه با تکنیک های ساخت و ساز سنتی اشاره کرد.یوهانس هما، مدیر عامل شرکت اتریشی تولید کننده چاپگرهای سه بعدی Lithoz، اظهار داشت که "این فناوری باعث سبک تر شدن قطعات می شود."به دلیل آزادی طراحی، محصولات پرینت سه بعدی کارآمدتر هستند و به منابع کمتری نیاز دارند.این تأثیر مثبتی بر اثرات زیست محیطی تولید قطعه دارد.Relativity Space نشان داده است که ساخت افزودنی می تواند به میزان قابل توجهی تعداد اجزای مورد نیاز برای ساخت فضاپیما را کاهش دهد.برای موشک Terran 1، 100 قطعه ذخیره شد.علاوه بر این، این فناوری مزایای قابل توجهی در سرعت تولید دارد، به طوری که موشک در کمتر از 60 روز تکمیل می شود.در مقابل، ساخت موشک با استفاده از روش های سنتی می تواند چندین سال طول بکشد.
با توجه به مدیریت منابع، چاپ سه بعدی می تواند باعث صرفه جویی در مواد شود و در برخی موارد حتی امکان بازیافت زباله را فراهم کند.در نهایت، تولید مواد افزودنی ممکن است به یک دارایی با ارزش برای کاهش وزن برخاست موشک ها تبدیل شود.هدف به حداکثر رساندن استفاده از مواد محلی، مانند سنگ سنگی، و به حداقل رساندن حمل و نقل مواد در فضاپیما است.این امکان حمل تنها یک چاپگر سه بعدی را فراهم می کند که می تواند همه چیز را پس از سفر در محل ایجاد کند.
Made in Space قبلا یکی از چاپگرهای سه بعدی خود را برای آزمایش به فضا فرستاده است.
محدودیت های چاپ سه بعدی در فضا
اگرچه پرینت سه بعدی مزایای زیادی دارد، اما این فناوری هنوز نسبتا جدید است و محدودیت هایی دارد.ادونیت ماکایا اظهار داشت: یکی از مشکلات اصلی تولید مواد افزودنی در صنعت هوافضا، کنترل فرآیند و اعتبارسنجی است.سازندگان می توانند وارد آزمایشگاه شوند و استحکام، قابلیت اطمینان و ریزساختار هر قطعه را قبل از اعتبارسنجی آزمایش کنند، فرآیندی که به عنوان آزمایش غیر مخرب (NDT) شناخته می شود.با این حال، این می تواند زمان بر و پرهزینه باشد، بنابراین هدف نهایی کاهش نیاز به این آزمایشات است.ناسا اخیراً مرکزی را برای رسیدگی به این موضوع ایجاد کرده است که بر صدور گواهینامه سریع اجزای فلزی تولید شده توسط تولید افزودنی متمرکز است.هدف این مرکز استفاده از دوقلوهای دیجیتال برای بهبود مدل‌های رایانه‌ای محصولات است که به مهندسان کمک می‌کند تا عملکرد و محدودیت‌های قطعات، از جمله میزان فشاری که می‌توانند قبل از شکستگی تحمل کنند، بهتر درک کنند.با انجام این کار، این مرکز امیدوار است به ترویج کاربرد پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا کمک کند و آن را در رقابت با تکنیک های تولید سنتی موثرتر کند.
این قطعات تحت آزمایش های جامع قابلیت اطمینان و استحکام قرار گرفته اند.
از سوی دیگر، اگر ساخت در فضا انجام شود، فرآیند تأیید متفاوت است.Advenit Makaya از ESA توضیح می دهد: "تکنیکی وجود دارد که شامل تجزیه و تحلیل قطعات در حین چاپ می شود."این روش به تعیین اینکه کدام محصولات چاپی مناسب هستند و کدام نه کمک می کند.علاوه بر این، یک سیستم خود تصحیح برای چاپگرهای سه بعدی در نظر گرفته شده برای فضا وجود دارد و در حال آزمایش بر روی ماشین‌های فلزی است.این سیستم می تواند خطاهای احتمالی در فرآیند ساخت را شناسایی کرده و به طور خودکار پارامترهای خود را برای اصلاح هر گونه نقص در قطعه اصلاح کند.انتظار می رود این دو سیستم قابلیت اطمینان محصولات چاپی را در فضا بهبود بخشند.
ناسا و ESA برای تأیید راه حل های چاپ سه بعدی استانداردهایی را ایجاد کرده اند.این استانداردها شامل یک سری آزمایش برای تعیین قابلیت اطمینان قطعات می باشد.آنها فناوری همجوشی بستر پودری را در نظر می گیرند و آنها را برای سایر فرآیندها به روز می کنند.با این حال، بسیاری از بازیگران اصلی در صنعت مواد مانند Arkema، BASF، Dupont و Sabic نیز این قابلیت ردیابی را فراهم می‌کنند.
زندگی در فضا؟
با پیشرفت تکنولوژی پرینت سه بعدی، پروژه های موفق بسیاری را بر روی زمین مشاهده کرده ایم که از این فناوری برای ساخت خانه استفاده می کنند.این موضوع ما را به تعجب وا می دارد که آیا این فرآیند ممکن است در آینده نزدیک یا دور برای ساخت سازه های قابل سکونت در فضا مورد استفاده قرار گیرد.در حالی که زندگی در فضا در حال حاضر غیر واقعی است، ساخت خانه ها، به ویژه در ماه، می تواند برای فضانوردان در اجرای ماموریت های فضایی مفید باشد.هدف آژانس فضایی اروپا (ESA) ساخت گنبدهایی روی ماه با استفاده از سنگ سنگی ماه است که می تواند برای ساخت دیوارها یا آجرها برای محافظت از فضانوردان در برابر تشعشعات استفاده شود.به گفته Advenit Makaya از ESA، سنگ سنگ قمری از حدود 60٪ فلز و 40٪ اکسیژن تشکیل شده است و یک ماده ضروری برای بقای فضانوردان است زیرا اگر از این ماده استخراج شود می تواند منبع بی پایانی از اکسیژن باشد.
ناسا 57.2 میلیون دلار کمک مالی به ICON برای توسعه یک سیستم چاپ سه بعدی برای ساخت سازه ها در سطح ماه اعطا کرده است و همچنین با این شرکت برای ایجاد زیستگاه Mars Dune Alpha همکاری می کند.هدف این است که شرایط زندگی در مریخ را با داشتن داوطلبانی که به مدت یک سال در یک زیستگاه زندگی کنند و شرایط را در سیاره سرخ شبیه سازی کنند، آزمایش کنیم.این تلاش‌ها نشان‌دهنده گام‌های حیاتی در جهت ساخت مستقیم سازه‌های چاپ سه‌بعدی در ماه و مریخ است که در نهایت می‌تواند راه را برای استعمار فضایی انسان هموار کند.
در آینده ای دور، این خانه ها می توانند زندگی را در فضا زنده کنند.
زمان ارسال: ژوئن-14-2023