Sejak abad ke-20, umat manusia telah terpesona dengan penerokaan angkasa lepas dan memahami apa yang ada di luar Bumi. Organisasi utama seperti NASA dan ESA telah berada di barisan hadapan dalam penerokaan angkasa lepas, dan satu lagi pemain penting dalam penaklukan ini ialah percetakan 3D. Dengan keupayaan untuk menghasilkan bahagian kompleks dengan pantas pada kos yang rendah, teknologi reka bentuk ini menjadi semakin popular dalam syarikat. Ia membolehkan penciptaan banyak aplikasi, seperti satelit, sut angkasa lepas dan komponen roket. Malah, menurut SmarTech, nilai pasaran pembuatan bahan tambahan industri angkasa lepas swasta dijangka mencecah €2.1 bilion menjelang 2026. Ini menimbulkan persoalan: Bagaimanakah percetakan 3D boleh membantu manusia cemerlang di angkasa lepas?
Pada mulanya, percetakan 3D digunakan terutamanya untuk prototaip pantas dalam industri perubatan, automotif dan aeroangkasa. Walau bagaimanapun, apabila teknologi ini semakin meluas, ia semakin digunakan untuk komponen tujuan akhir. Teknologi pembuatan bahan tambahan logam, terutamanya L-PBF, telah membolehkan pengeluaran pelbagai jenis logam dengan ciri-ciri dan ketahanan yang sesuai untuk keadaan ruang yang ekstrem. Teknologi percetakan 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-syarikat seperti Made in Space dan Relativity Space menggunakan teknologi percetakan 3D untuk mereka bentuk komponen aeroangkasa.
Angkasa Relativiti membangunkan pencetak 3D untuk industri aeroangkasa
Teknologi percetakan 3D dalam aeroangkasa
Sekarang setelah kita memperkenalkannya, mari kita lihat dengan lebih dekat pelbagai teknologi percetakan 3D yang digunakan dalam industri aeroangkasa. Pertama sekali, perlu diingatkan 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. Pengilang aeroangkasa juga boleh mendapat manfaat daripada DED, yang melibatkan pengendapan dawai atau serbuk logam dan terutamanya digunakan untuk membaiki, menyalut atau menghasilkan bahagian logam atau seramik tersuai.
Sebaliknya, jet 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 angkasa lepas. Perlu diingatkan bahawa tidak semua polimer sesuai untuk digunakan di angkasa lepas, tetapi plastik berprestasi tinggi seperti PEEK boleh menggantikan beberapa bahagian logam kerana kekuatannya. Walau bagaimanapun, proses percetakan 3D ini masih belum 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 Lepas
Industri aeroangkasa telah meneroka bahan baharu melalui percetakan 3D, mencadangkan alternatif inovatif yang mungkin mengganggu pasaran. Walaupun logam seperti titanium, aluminium dan aloi nikel-kromium sentiasa menjadi tumpuan utama, bahan baharu mungkin akan mencuri tumpuan tidak lama lagi: regolit bulan. Regolit bulan ialah lapisan debu yang menutupi bulan, dan ESA telah menunjukkan manfaat menggabungkannya dengan percetakan 3D. Advenit Makaya, seorang jurutera pembuatan kanan ESA, menggambarkan regolit bulan 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 berfungsi kecil seperti skru dan gear menggunakan regolit bulan simulasi dengan sifat yang serupa dengan debu bulan sebenar.
Kebanyakan proses yang terlibat dalam pembuatan regolit lunar menggunakan haba, menjadikannya serasi dengan teknologi seperti SLS dan penyelesaian percetakan ikatan serbuk. ESA juga menggunakan teknologi D-Shape dengan matlamat 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 lunar masa hadapan.
Regolith Lunar Ada Di Mana-mana
Terdapat juga regolit Marikh, merujuk kepada bahan bawah permukaan yang ditemui di Marikh. Pada masa ini, agensi angkasa lepas antarabangsa tidak dapat menemui 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 radiasi. Walaupun kedua-dua bahan ini mempunyai sifat yang serupa, regolit bulan masih merupakan bahan yang paling banyak diuji. Kelebihan lain ialah bahan-bahan ini boleh dihasilkan di tapak tanpa perlu mengangkut bahan mentah dari Bumi. Di samping itu, regolit merupakan sumber bahan yang tidak habis-habis, membantu mencegah 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 lapisan serbuk laser (L-PBF) boleh digunakan untuk mengeluarkan bahagian jangka pendek yang rumit, seperti sistem alat atau alat ganti angkasa lepas. Launcher, sebuah syarikat baharu yang berpangkalan di California, menggunakan teknologi percetakan 3D nilam-logam Velo3D untuk mempertingkatkan enjin roket cecair E-2. Proses pengilang digunakan untuk mencipta turbin induksi, yang memainkan peranan penting dalam memecut dan memacu LOX (oksigen cecair) ke dalam ruang 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 enjin.
Velo3D menyumbang kepada penggunaan teknologi PBF dalam pembuatan enjin roket cecair E-2.
Pembuatan bahan tambahan mempunyai aplikasi yang luas, termasuk pengeluaran struktur kecil dan besar. Contohnya, teknologi percetakan 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 hampir keseluruhannya dicetak 3D, termasuk tangki bahan api sepanjang beberapa meter. Pelancaran pertamanya pada 23 Mac 2023, menunjukkan kecekapan dan kebolehpercayaan proses pembuatan bahan tambahan.
Teknologi percetakan 3D berasaskan penyemperitan juga membolehkan penghasilan bahagian menggunakan bahan berprestasi tinggi seperti PEEK. Komponen yang diperbuat daripada termoplastik ini telah diuji di angkasa lepas dan diletakkan pada rover Rashid sebagai sebahagian daripada misi bulan UAE. Tujuan ujian ini adalah untuk menilai ketahanan PEEK terhadap keadaan bulan yang ekstrem. Jika berjaya, PEEK mungkin dapat menggantikan bahagian logam dalam situasi di mana bahagian logam rosak atau bahannya terhad. 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 sumber yang lebih sedikit. Ini mempunyai kesan positif terhadap kesan alam sekitar daripada pengeluaran bahagian. Relativity Space telah menunjukkan bahawa pembuatan bahan tambahan boleh mengurangkan bilangan komponen yang diperlukan untuk mengeluarkan kapal angkasa dengan ketara. Bagi roket Terran 1, 100 bahagian telah dijimatkan. Di samping itu, teknologi ini mempunyai kelebihan yang ketara dalam kelajuan pengeluaran, dengan roket disiapkan 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 membolehkan kitar semula sisa. Akhir sekali, pembuatan bahan tambahan mungkin menjadi aset berharga untuk mengurangkan berat lepas landas roket. Matlamatnya adalah untuk memaksimumkan penggunaan bahan tempatan, seperti regolit, dan meminimumkan pengangkutan bahan dalam kapal angkasa. Ini membolehkan hanya pencetak 3D yang boleh dibawa, yang boleh mencipta segala-galanya di tapak selepas perjalanan.
Made in Space telah menghantar salah satu pencetak 3D mereka ke angkasa lepas untuk ujian.
Had percetakan 3D di angkasa lepas
Walaupun percetakan 3D mempunyai banyak kelebihan, teknologi ini masih agak baharu dan mempunyai batasan. Advenit Makaya menyatakan, "Salah satu masalah utama dengan pembuatan bahan tambahan dalam industri aeroangkasa ialah kawalan proses dan pengesahan." Pengilang boleh memasuki makmal dan menguji kekuatan, kebolehpercayaan dan mikrostruktur setiap bahagian sebelum pengesahan, satu proses yang dikenali sebagai ujian tanpa musnah (NDT). Walau bagaimanapun, ini boleh memakan masa dan mahal, jadi matlamat utama adalah untuk mengurangkan keperluan untuk ujian ini. NASA baru-baru ini menubuhkan sebuah pusat untuk menangani isu ini, yang memberi tumpuan kepada pensijilan pantas komponen logam yang dihasilkan oleh pembuatan bahan tambahan. Pusat ini bertujuan untuk menggunakan kembar digital untuk menambah baik model produk komputer, yang akan membantu jurutera memahami prestasi dan batasan bahagian dengan lebih baik, termasuk berapa banyak tekanan yang boleh ditahan sebelum patah. Dengan berbuat demikian, pusat ini berharap dapat membantu mempromosikan aplikasi percetakan 3D dalam industri aeroangkasa, menjadikannya lebih berkesan dalam bersaing dengan teknik pembuatan tradisional.
Komponen-komponen ini telah menjalani ujian kebolehpercayaan dan kekuatan yang komprehensif.
Sebaliknya, proses pengesahan adalah berbeza jika pembuatan dilakukan di angkasa lepas. Advenit Makaya dari ESA menjelaskan, "Terdapat teknik yang melibatkan analisis bahagian semasa pencetakan." Kaedah ini membantu menentukan produk bercetak yang sesuai dan yang tidak. Di samping itu, terdapat sistem pembetulan kendiri untuk pencetak 3D yang bertujuan untuk angkasa lepas dan sedang diuji pada mesin logam. Sistem ini boleh mengenal pasti potensi ralat dalam proses pembuatan dan mengubah suai parameternya secara automatik untuk membetulkan sebarang kecacatan pada bahagian tersebut. Kedua-dua sistem ini dijangka dapat meningkatkan kebolehpercayaan produk bercetak di angkasa lepas.
Untuk mengesahkan penyelesaian percetakan 3D, NASA dan ESA telah menetapkan piawaian. Piawaian ini merangkumi satu siri ujian untuk menentukan kebolehpercayaan bahagian. Mereka mempertimbangkan teknologi gabungan lapisan serbuk dan sedang mengemas kininya untuk proses lain. Walau bagaimanapun, ramai pemain utama dalam industri bahan, seperti Arkema, BASF, Dupont dan Sabic, juga menyediakan kebolehkesanan ini.
Tinggal di angkasa lepas?
Dengan kemajuan teknologi percetakan 3D, kita 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 pada masa hadapan yang dekat atau jauh untuk membina struktur yang boleh didiami di angkasa lepas. Walaupun tinggal di angkasa lepas pada masa ini tidak realistik, membina rumah, terutamanya di bulan, boleh memberi manfaat kepada angkasawan dalam melaksanakan misi angkasa lepas. Matlamat Agensi Angkasa Lepas 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, regolit bulan terdiri daripada kira-kira 60% logam dan 40% oksigen dan merupakan bahan penting untuk kelangsungan hidup angkasawan kerana ia boleh menyediakan sumber oksigen yang tidak berkesudahan jika diekstrak daripada bahan ini.
NASA telah menganugerahkan geran bernilai $57.2 juta kepada ICON untuk membangunkan sistem percetakan 3D bagi membina struktur di permukaan bulan dan turut bekerjasama dengan syarikat itu untuk mewujudkan habitat Mars Dune Alpha. Matlamatnya adalah untuk menguji keadaan hidup di Marikh dengan meminta sukarelawan tinggal di habitat tersebut selama setahun, mensimulasikan keadaan di Planet Merah. Usaha ini merupakan langkah kritikal ke arah membina struktur cetakan 3D secara langsung di bulan dan Marikh, yang akhirnya boleh membuka jalan untuk penjajahan angkasa lepas manusia.
Pada masa hadapan yang jauh, rumah-rumah ini dapat membolehkan kehidupan terus hidup di angkasa lepas.
Masa siaran: 14 Jun 2023
