Sejak abad ke-20, umat manusia telah terpesona dengan meneroka ruang angkasa dan memahami apa yang ada di luar Bumi.Organisasi utama seperti NASA dan ESA telah berada di barisan hadapan penerokaan angkasa lepas, dan satu lagi pemain penting dalam penaklukan ini ialah percetakan 3D.Dengan keupayaan untuk menghasilkan bahagian kompleks dengan cepat pada kos rendah, teknologi reka bentuk ini menjadi semakin popular di syarikat.Ia membolehkan penciptaan banyak aplikasi, seperti satelit, pakaian angkasa dan komponen roket.Malah, menurut SmarTech, nilai pasaran pembuatan aditif industri angkasa lepas swasta dijangka mencecah €2.1 bilion menjelang 2026. Ini menimbulkan persoalan: Bagaimanakah percetakan 3D boleh membantu manusia cemerlang dalam angkasa?
Pada mulanya, percetakan 3D digunakan terutamanya untuk prototaip pantas dalam industri perubatan, automotif dan aeroangkasa.Walau bagaimanapun, oleh kerana teknologi telah menjadi lebih meluas, ia semakin digunakan untuk komponen tujuan akhir.Teknologi pembuatan bahan tambahan logam, khususnya L-PBF, telah membenarkan pengeluaran pelbagai logam dengan ciri dan ketahanan yang sesuai untuk keadaan ruang yang melampau.Teknologi pencetakan 3D lain, seperti DED, jet pengikat, dan proses penyemperitan, juga digunakan dalam pembuatan komponen aeroangkasa.Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, model perniagaan baharu telah muncul, dengan syarikat seperti Made in Space dan Relativity Space menggunakan teknologi percetakan 3D untuk mereka bentuk komponen aeroangkasa.
Relativiti Space membangunkan pencetak 3D untuk industri aeroangkasa
Teknologi percetakan 3D dalam aeroangkasa
Sekarang setelah kami memperkenalkannya, mari kita lihat dengan lebih dekat pelbagai teknologi percetakan 3D yang digunakan dalam industri aeroangkasa.Pertama, perlu diperhatikan bahawa pembuatan bahan tambahan logam, terutamanya L-PBF, adalah yang paling banyak digunakan dalam bidang ini.Proses ini melibatkan penggunaan tenaga laser untuk menggabungkan serbuk logam lapisan demi lapisan.Ia amat sesuai untuk menghasilkan bahagian yang kecil, kompleks, tepat dan tersuai.Pengeluar aeroangkasa juga boleh mendapat manfaat daripada DED, yang melibatkan penyimpanan dawai atau serbuk logam dan digunakan terutamanya untuk membaiki, menyalut atau menghasilkan bahagian logam atau seramik yang disesuaikan.
Sebaliknya, pengaliran pengikat, walaupun berfaedah dari segi kelajuan pengeluaran dan kos rendah, tidak sesuai untuk menghasilkan bahagian mekanikal berprestasi tinggi kerana ia memerlukan langkah pengukuhan pasca pemprosesan yang meningkatkan masa pembuatan produk akhir.Teknologi penyemperitan juga berkesan dalam persekitaran ruang.Perlu diingatkan bahawa tidak semua polimer sesuai digunakan di angkasa, tetapi plastik berprestasi tinggi seperti PEEK boleh menggantikan beberapa bahagian logam kerana kekuatannya.Walau bagaimanapun, proses pencetakan 3D ini masih tidak begitu meluas, tetapi ia boleh menjadi aset berharga untuk penerokaan angkasa lepas dengan menggunakan bahan baharu.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ialah teknologi yang digunakan secara meluas dalam percetakan 3D untuk aeroangkasa.
Potensi Bahan Angkasa
Industri aeroangkasa telah meneroka bahan baharu melalui percetakan 3D, mencadangkan alternatif inovatif yang mungkin mengganggu pasaran.Walaupun logam seperti aloi titanium, aluminium dan nikel-kromium sentiasa menjadi tumpuan utama, bahan baharu mungkin mencuri tumpuan tidak lama lagi: regolit bulan.Regolit bulan ialah lapisan habuk yang menutupi bulan, dan ESA telah menunjukkan faedah menggabungkannya dengan percetakan 3D.Advenit Makaya, seorang jurutera pengilangan kanan ESA, menerangkan regolit bulan sebagai serupa dengan konkrit, terutamanya terdiri daripada silikon dan unsur kimia lain seperti besi, magnesium, aluminium dan oksigen.ESA telah bekerjasama dengan Lithoz untuk menghasilkan bahagian kecil yang berfungsi seperti skru dan gear menggunakan simulasi regolit bulan dengan sifat yang serupa dengan habuk bulan sebenar.
Kebanyakan proses yang terlibat dalam pembuatan regolit bulan menggunakan haba, menjadikannya serasi dengan teknologi seperti SLS dan penyelesaian pencetakan ikatan serbuk.ESA juga menggunakan teknologi D-Shape dengan matlamat untuk menghasilkan bahagian pepejal dengan mencampurkan magnesium klorida dengan bahan dan menggabungkannya dengan magnesium oksida yang terdapat dalam spesimen simulasi.Salah satu kelebihan ketara bahan bulan ini ialah resolusi cetakannya yang lebih halus, membolehkannya menghasilkan bahagian dengan ketepatan tertinggi.Ciri ini boleh menjadi aset utama dalam mengembangkan rangkaian aplikasi dan komponen pembuatan untuk pangkalan bulan masa hadapan.
Lunar Regolith is Everywhere
Terdapat juga regolith Marikh, merujuk kepada bahan bawah permukaan yang ditemui di Marikh.Pada masa ini, agensi angkasa antarabangsa tidak dapat memulihkan bahan ini, tetapi ini tidak menghalang saintis daripada menyelidik potensinya dalam projek aeroangkasa tertentu.Penyelidik menggunakan spesimen simulasi bahan ini dan menggabungkannya dengan aloi titanium untuk menghasilkan alat atau komponen roket.Keputusan awal menunjukkan bahawa bahan ini akan memberikan kekuatan yang lebih tinggi dan melindungi peralatan daripada berkarat dan kerosakan sinaran.Walaupun kedua-dua bahan ini mempunyai sifat yang sama, regolit bulan masih merupakan bahan yang paling diuji.Kelebihan lain ialah bahan-bahan ini boleh dihasilkan di tapak tanpa perlu mengangkut bahan mentah dari Bumi.Di samping itu, regolith adalah sumber bahan yang tidak habis-habis, membantu mengelakkan kekurangan.
Aplikasi teknologi percetakan 3D dalam industri aeroangkasa
Aplikasi teknologi percetakan 3D dalam industri aeroangkasa boleh berbeza-beza bergantung pada proses khusus yang digunakan.Contohnya, gabungan katil serbuk laser (L-PBF) boleh digunakan untuk mengeluarkan bahagian jangka pendek yang rumit, seperti sistem alat atau alat ganti ruang.Launcher, syarikat permulaan yang berpangkalan di California, menggunakan teknologi pencetakan 3D logam nilam Velo3D untuk meningkatkan enjin roket cecair E-2nya.Proses pengilang digunakan untuk mencipta turbin aruhan, yang memainkan peranan penting dalam mempercepatkan dan memacu LOX (oksigen cecair) ke dalam kebuk pembakaran.Turbin dan sensor masing-masing dicetak menggunakan teknologi percetakan 3D dan kemudian dipasang.Komponen inovatif ini menyediakan roket dengan aliran bendalir yang lebih besar dan tujahan yang lebih besar, menjadikannya bahagian penting dalam enjin
Velo3D menyumbang kepada penggunaan teknologi PBF dalam pembuatan enjin roket cecair E-2.
Pembuatan aditif mempunyai aplikasi yang luas, termasuk pengeluaran struktur kecil dan besar.Contohnya, teknologi pencetakan 3D seperti penyelesaian Stargate Relativity Space boleh digunakan untuk mengeluarkan bahagian besar seperti tangki bahan api roket dan bilah kipas.Relativity Space telah membuktikannya melalui kejayaan pengeluaran Terran 1, roket yang dicetak hampir 3D, termasuk tangki bahan api sepanjang beberapa meter.Pelancaran pertamanya pada 23 Mac 2023, menunjukkan kecekapan dan kebolehpercayaan proses pembuatan aditif.
Teknologi percetakan 3D berasaskan penyemperitan juga membolehkan pengeluaran bahagian menggunakan bahan berprestasi tinggi seperti PEEK.Komponen yang diperbuat daripada termoplastik ini telah pun diuji di angkasa lepas dan diletakkan pada rover Rashid sebagai sebahagian daripada misi lunar UAE.Tujuan ujian ini adalah untuk menilai rintangan PEEK terhadap keadaan bulan yang melampau.Jika berjaya, PEEK mungkin boleh menggantikan bahagian logam dalam situasi di mana bahagian logam pecah atau bahan sukar didapati.Selain itu, sifat ringan PEEK mungkin bernilai dalam penerokaan angkasa lepas.
Teknologi percetakan 3D boleh digunakan untuk mengeluarkan pelbagai bahagian untuk industri aeroangkasa.
Kelebihan percetakan 3D dalam industri aeroangkasa
Kelebihan percetakan 3D dalam industri aeroangkasa termasuk penampilan akhir bahagian yang lebih baik berbanding teknik pembinaan tradisional.Johannes Homa, Ketua Pegawai Eksekutif pengeluar pencetak 3D Austria Lithoz, menyatakan bahawa "teknologi ini menjadikan bahagian lebih ringan."Disebabkan kebebasan reka bentuk, produk cetakan 3D lebih cekap dan memerlukan lebih sedikit sumber.Ini mempunyai kesan positif terhadap kesan alam sekitar pengeluaran bahagian.Ruang Relativiti telah menunjukkan bahawa pembuatan bahan tambahan boleh mengurangkan dengan ketara bilangan komponen yang diperlukan untuk mengeluarkan kapal angkasa.Untuk roket Terran 1, 100 bahagian telah diselamatkan.Di samping itu, teknologi ini mempunyai kelebihan ketara dalam kelajuan pengeluaran, dengan roket siap dalam masa kurang daripada 60 hari.Sebaliknya, pembuatan roket menggunakan kaedah tradisional boleh mengambil masa beberapa tahun.
Berkenaan pengurusan sumber, percetakan 3D boleh menjimatkan bahan dan, dalam beberapa kes, malah membenarkan kitar semula sisa.Akhir sekali, pembuatan bahan tambahan mungkin menjadi aset berharga untuk mengurangkan berat roket yang berlepas.Matlamatnya adalah untuk memaksimumkan penggunaan bahan tempatan, seperti regolith, dan meminimumkan pengangkutan bahan dalam kapal angkasa.Ini membolehkan anda membawa hanya pencetak 3D, yang boleh mencipta segala-galanya di tapak selepas perjalanan.
Made in Space telah pun menghantar salah satu pencetak 3D mereka ke angkasa untuk diuji.
Had percetakan 3D dalam ruang
Walaupun percetakan 3D mempunyai banyak kelebihan, teknologi ini masih agak baru dan mempunyai batasan.Advenit Makaya menyatakan, "Salah satu masalah utama dengan pembuatan aditif dalam industri aeroangkasa ialah kawalan dan pengesahan proses."Pengilang boleh memasuki makmal dan menguji kekuatan, kebolehpercayaan dan struktur mikro setiap bahagian sebelum pengesahan, satu proses yang dikenali sebagai ujian tidak merosakkan (NDT).Walau bagaimanapun, ini boleh memakan masa dan mahal, jadi matlamat utama adalah untuk mengurangkan keperluan untuk ujian ini.NASA baru-baru ini menubuhkan pusat untuk menangani isu ini, memberi tumpuan kepada pensijilan pantas komponen logam yang dihasilkan oleh pembuatan bahan tambahan.Pusat ini bertujuan untuk menggunakan kembar digital untuk menambah baik model komputer produk, yang akan membantu jurutera lebih memahami prestasi dan had bahagian, termasuk berapa banyak tekanan yang boleh mereka tahan sebelum patah.Dengan berbuat demikian, pusat itu berharap dapat membantu mempromosikan aplikasi percetakan 3D dalam industri aeroangkasa, menjadikannya lebih berkesan dalam bersaing dengan teknik pembuatan tradisional.
Komponen ini telah menjalani ujian kebolehpercayaan dan kekuatan yang komprehensif.
Sebaliknya, proses pengesahan adalah berbeza jika pembuatan dilakukan di ruang angkasa.Advenit Makaya ESA menjelaskan, "Terdapat teknik yang melibatkan menganalisis bahagian semasa percetakan."Kaedah ini membantu menentukan produk bercetak yang sesuai dan yang tidak.Selain itu, terdapat sistem pembetulan sendiri untuk pencetak 3D yang bertujuan untuk ruang dan sedang diuji pada mesin logam.Sistem ini boleh mengenal pasti kemungkinan ralat dalam proses pembuatan dan mengubah suai parameternya secara automatik untuk membetulkan sebarang kecacatan pada bahagian tersebut.Kedua-dua sistem ini dijangka meningkatkan kebolehpercayaan produk bercetak di angkasa lepas.
Untuk mengesahkan penyelesaian pencetakan 3D, NASA dan ESA telah menetapkan piawaian.Piawaian ini termasuk satu siri ujian untuk menentukan kebolehpercayaan bahagian.Mereka menganggap teknologi gabungan katil serbuk dan mengemas kininya untuk proses lain.Walau bagaimanapun, banyak pemain utama dalam industri bahan, seperti Arkema, BASF, Dupont dan Sabic, turut menyediakan kebolehkesanan ini.
Hidup di angkasa lepas?
Dengan kemajuan teknologi percetakan 3D, kami telah melihat banyak projek yang berjaya di Bumi yang menggunakan teknologi ini untuk membina rumah.Ini membuatkan kita tertanya-tanya sama ada proses ini mungkin digunakan dalam masa terdekat atau jauh untuk membina struktur yang boleh didiami di angkasa lepas.Walaupun tinggal di angkasa pada masa ini tidak realistik, membina rumah, terutamanya di bulan, boleh memberi manfaat kepada angkasawan dalam melaksanakan misi angkasa lepas.Matlamat Agensi Angkasa Eropah (ESA) adalah untuk membina kubah di bulan menggunakan regolit bulan, yang boleh digunakan untuk membina dinding atau batu bata untuk melindungi angkasawan daripada radiasi.Menurut Advenit Makaya dari ESA, regolith bulan terdiri daripada kira-kira 60% logam dan 40% oksigen dan merupakan bahan penting untuk kelangsungan hidup angkasawan kerana ia boleh memberikan sumber oksigen yang tidak berkesudahan jika diekstrak daripada bahan ini.
NASA telah menganugerahkan geran $57.2 juta kepada ICON untuk membangunkan sistem percetakan 3D untuk membina struktur di permukaan bulan dan juga bekerjasama dengan syarikat itu untuk mencipta habitat Mars Dune Alpha.Matlamatnya adalah untuk menguji keadaan hidup di Marikh dengan meminta sukarelawan tinggal di habitat selama satu tahun, meniru keadaan di Planet Merah.Usaha ini mewakili langkah kritikal ke arah membina secara langsung struktur bercetak 3D di bulan dan Marikh, yang akhirnya boleh membuka jalan kepada penjajahan angkasa lepas manusia.
Pada masa hadapan yang jauh, rumah-rumah ini boleh membolehkan kehidupan bertahan di angkasa.
Masa siaran: Jun-14-2023