მე-20 საუკუნიდან მოყოლებული, კაცობრიობა მოხიბლულია კოსმოსის შესწავლით და დედამიწის მიღმა არსებული მოვლენების გაგებით. ისეთი მსხვილი ორგანიზაციები, როგორიცაა NASA და ESA, კოსმოსური კვლევების სათავეში დგანან და ამ დაპყრობის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი მოთამაშეა 3D ბეჭდვა. კომპლექსური ნაწილების დაბალ ფასად სწრაფად წარმოების შესაძლებლობის გათვალისწინებით, ეს დიზაინის ტექნოლოგია სულ უფრო პოპულარული ხდება კომპანიებში. ის შესაძლებელს ხდის მრავალი აპლიკაციის შექმნას, როგორიცაა თანამგზავრები, კოსმოსური კოსტიუმები და რაკეტების კომპონენტები. სინამდვილეში, SmarTech-ის თანახმად, კერძო კოსმოსური ინდუსტრიის დანამატების წარმოების საბაზრო ღირებულება, სავარაუდოდ, 2026 წლისთვის 2.1 მილიარდ ევროს მიაღწევს. ეს კითხვას ბადებს: როგორ შეუძლია 3D ბეჭდვას დაეხმაროს ადამიანებს კოსმოსში წარმატების მიღწევაში?
თავდაპირველად, 3D ბეჭდვა ძირითადად გამოიყენებოდა სწრაფი პროტოტიპების შესაქმნელად სამედიცინო, საავტომობილო და აერონავტიკის ინდუსტრიებში. თუმცა, რადგან ტექნოლოგია უფრო ფართოდ გავრცელდა, ის სულ უფრო ხშირად გამოიყენება საბოლოო დანიშნულების კომპონენტებისთვის. ლითონის დანამატების წარმოების ტექნოლოგიამ, განსაკუთრებით L-PBF-მ, შესაძლებელი გახადა სხვადასხვა ლითონის წარმოება, რომელთა მახასიათებლები და გამძლეობა შესაფერისია ექსტრემალური კოსმოსური პირობებისთვის. სხვა 3D ბეჭდვის ტექნოლოგიები, როგორიცაა DED, შემკვრელის ჭავლი და ექსტრუზიის პროცესი, ასევე გამოიყენება აერონავტიკის კომპონენტების წარმოებაში. ბოლო წლებში გაჩნდა ახალი ბიზნეს მოდელები, სადაც ისეთი კომპანიები, როგორიცაა Made in Space და Relativity Space, იყენებენ 3D ბეჭდვის ტექნოლოგიას აერონავტიკის კომპონენტების შესაქმნელად.
Relativity Space ავითარებს 3D პრინტერს აეროკოსმოსური ინდუსტრიისთვის
3D ბეჭდვის ტექნოლოგია აერონავტიკაში
ახლა, როდესაც ისინი გავაცანით, მოდით, უფრო ახლოს გავეცნოთ აერონავტიკის ინდუსტრიაში გამოყენებულ სხვადასხვა 3D ბეჭდვის ტექნოლოგიებს. პირველ რიგში, უნდა აღინიშნოს, რომ ლითონის დანამატებით წარმოება, განსაკუთრებით L-PBF, ყველაზე ფართოდ გამოიყენება ამ სფეროში. ეს პროცესი გულისხმობს ლაზერული ენერგიის გამოყენებას ლითონის ფხვნილის ფენა-ფენა შედუღებისთვის. ის განსაკუთრებით შესაფერისია მცირე, რთული, ზუსტი და მორგებული ნაწილების წარმოებისთვის. აერონავტიკის მწარმოებლებს ასევე შეუძლიათ ისარგებლონ DED-ით, რომელიც გულისხმობს ლითონის მავთულის ან ფხვნილის დალექვას და ძირითადად გამოიყენება მორგებული ლითონის ან კერამიკული ნაწილების შესაკეთებლად, დასაფარად ან წარმოებისთვის.
ამის საპირისპიროდ, შემკვრელის ჭავლური დამუშავება, მიუხედავად იმისა, რომ უპირატესობას წარმოადგენს წარმოების სიჩქარისა და დაბალი ღირებულების თვალსაზრისით, არ არის შესაფერისი მაღალი ხარისხის მექანიკური ნაწილების წარმოებისთვის, რადგან ის მოითხოვს დამუშავების შემდგომ გამაგრების ეტაპებს, რაც ზრდის საბოლოო პროდუქტის წარმოების დროს. ექსტრუზიის ტექნოლოგია ასევე ეფექტურია კოსმოსურ გარემოში. უნდა აღინიშნოს, რომ ყველა პოლიმერი არ არის შესაფერისი კოსმოსში გამოსაყენებლად, მაგრამ მაღალი ხარისხის პლასტმასებს, როგორიცაა PEEK, შეუძლიათ ზოგიერთი ლითონის ნაწილის ჩანაცვლება მათი სიმტკიცის გამო. თუმცა, ეს 3D ბეჭდვის პროცესი ჯერ კიდევ არ არის ფართოდ გავრცელებული, მაგრამ ახალი მასალების გამოყენებით მას შეუძლია ღირებული აქტივი გახდეს კოსმოსური კვლევისთვის.
ლაზერული ფხვნილის საწოლის შერწყმა (L-PBF) ფართოდ გამოიყენება ტექნოლოგია 3D ბეჭდვაში აერონავტიკისთვის.
კოსმოსური მასალების პოტენციალი
აერონავტიკის ინდუსტრია 3D ბეჭდვის საშუალებით ახალ მასალებს იკვლევს და ინოვაციურ ალტერნატივებს გვთავაზობს, რამაც შესაძლოა ბაზარი შეცვალოს. მიუხედავად იმისა, რომ ისეთი ლითონები, როგორიცაა ტიტანი, ალუმინი და ნიკელ-ქრომის შენადნობები, ყოველთვის იყო მთავარი აქცენტი, შესაძლოა მალე ახალმა მასალამ მიიპყროს ყურადღება: მთვარის რეგოლითი. მთვარის რეგოლითი მტვრის ფენაა, რომელიც მთვარეს ფარავს და ESA-მ მისი 3D ბეჭდვასთან შერწყმის სარგებელი აჩვენა. ESA-ს უფროსი წარმოების ინჟინერი, ადვენიტ მაკაია, მთვარის რეგოლითს ბეტონის მსგავსს აღწერს, რომელიც ძირითადად სილიციუმის და სხვა ქიმიური ელემენტებისგან, როგორიცაა რკინა, მაგნიუმი, ალუმინი და ჟანგბადი, შედგება. ESA-მ Lithoz-თან პარტნიორობა დაიწყო მცირე ფუნქციური ნაწილების, როგორიცაა ხრახნები და მექანიზმები, წარმოებისთვის, მთვარის რეგოლითის სიმულირების გამოყენებით, რომელსაც რეალური მთვარის მტვრის მსგავსი თვისებები აქვს.
მთვარის რეგოლითის წარმოებაში ჩართული პროცესების უმეტესობა სითბოს იყენებს, რაც მას თავსებადს ხდის ისეთ ტექნოლოგიებთან, როგორიცაა SLS და ფხვნილის შემაკავშირებელი ბეჭდვის გადაწყვეტილებები. ESA ასევე იყენებს D-Shape ტექნოლოგიას, რომლის მიზანია მყარი ნაწილების წარმოება მაგნიუმის ქლორიდის მასალებთან შერევით და მისი სიმულირებულ ნიმუშში ნაპოვნი მაგნიუმის ოქსიდთან შერწყმით. ამ მთვარის მასალის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი უპირატესობა მისი უფრო დახვეწილი ბეჭდვის გარჩევადობაა, რაც საშუალებას აძლევს მას უმაღლესი სიზუსტით დაამზადოს ნაწილები. ეს ფუნქცია შეიძლება გახდეს მთავარი აქტივი მომავალი მთვარის ბაზებისთვის გამოყენების დიაპაზონის გაფართოებისა და კომპონენტების წარმოების საქმეში.
მთვარის რეგოლიტი ყველგანაა
ასევე არსებობს მარსული რეგოლიტი, რაც მარსზე აღმოჩენილ მიწისქვეშა მასალას გულისხმობს. ამჟამად, საერთაშორისო კოსმოსური სააგენტოები ამ მასალის ამოღებას ვერ ახერხებენ, თუმცა ეს მეცნიერებს ხელს არ უშლის მისი პოტენციალის შესწავლაში გარკვეულ აერონავტიკულ პროექტებში. მკვლევარები იყენებენ ამ მასალის სიმულირებულ ნიმუშებს და აერთიანებენ მას ტიტანის შენადნობთან ხელსაწყოების ან რაკეტის კომპონენტების წარმოებისთვის. საწყისი შედეგები მიუთითებს, რომ ეს მასალა უზრუნველყოფს უფრო მაღალ სიმტკიცეს და დაიცავს აღჭურვილობას ჟანგისა და რადიაციული დაზიანებისგან. მიუხედავად იმისა, რომ ამ ორ მასალას მსგავსი თვისებები აქვს, მთვარის რეგოლიტი მაინც ყველაზე გამოცდილი მასალაა. კიდევ ერთი უპირატესობა ის არის, რომ ამ მასალების წარმოება შესაძლებელია ადგილზე, დედამიწიდან ნედლეულის ტრანსპორტირების საჭიროების გარეშე. გარდა ამისა, რეგოლიტი ამოუწურავი მასალის წყაროა, რაც ხელს უწყობს დეფიციტის თავიდან აცილებას.
3D ბეჭდვის ტექნოლოგიის გამოყენება კოსმოსურ ინდუსტრიაში
3D ბეჭდვის ტექნოლოგიის გამოყენება აერონავტიკის ინდუსტრიაში შეიძლება განსხვავდებოდეს გამოყენებული კონკრეტული პროცესის მიხედვით. მაგალითად, ლაზერული ფხვნილის ფენის შერწყმა (L-PBF) შეიძლება გამოყენებულ იქნას რთული მოკლევადიანი ნაწილების დასამზადებლად, როგორიცაა ხელსაწყოების სისტემები ან კოსმოსური სათადარიგო ნაწილები. კალიფორნიაში დაფუძნებულმა სტარტაპმა Launcher-მა გამოიყენა Velo3D-ის საფირონის მეტალის 3D ბეჭდვის ტექნოლოგია თავისი E-2 თხევადი რაკეტის ძრავის გასაუმჯობესებლად. მწარმოებლის პროცესი გამოყენებული იქნა ინდუქციური ტურბინის შესაქმნელად, რომელიც გადამწყვეტ როლს ასრულებს LOX-ის (თხევადი ჟანგბადის) აჩქარებასა და წვის კამერაში გადატანაში. ტურბინა და სენსორი დაიბეჭდა 3D ბეჭდვის ტექნოლოგიის გამოყენებით და შემდეგ აწყობილი იქნა. ეს ინოვაციური კომპონენტი რაკეტას უზრუნველყოფს უფრო დიდი სითხის ნაკადით და უფრო დიდი ბიძგით, რაც მას ძრავის აუცილებელ ნაწილად აქცევს.
Velo3D-მ წვლილი შეიტანა PBF ტექნოლოგიის გამოყენებაში E-2 თხევადი სარაკეტო ძრავის წარმოებაში.
დანამატურ წარმოებას ფართო გამოყენება აქვს, მათ შორის მცირე და დიდი ზომის სტრუქტურების წარმოებას. მაგალითად, 3D ბეჭდვის ტექნოლოგიები, როგორიცაა Relativity Space-ის Stargate გადაწყვეტა, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ისეთი დიდი ნაწილების დასამზადებლად, როგორიცაა რაკეტის საწვავის ავზები და პროპელერის პირები. Relativity Space-მა ეს დაამტკიცა Terran 1-ის წარმატებული წარმოებით, რომელიც თითქმის მთლიანად 3D პრინტერით დაბეჭდილი რაკეტაა და მოიცავს რამდენიმე მეტრის სიგრძის საწვავის ავზს. მისი პირველი გაშვება 2023 წლის 23 მარტს ადასტურებდა დანამატური წარმოების პროცესების ეფექტურობას და სანდოობას.
ექსტრუზიაზე დაფუძნებული 3D ბეჭდვის ტექნოლოგია ასევე საშუალებას იძლევა ნაწილების წარმოების მაღალი ხარისხის მასალების გამოყენებით, როგორიცაა PEEK. ამ თერმოპლასტიკისგან დამზადებული კომპონენტები უკვე გამოცდილია კოსმოსში და განთავსდა რაშიდის როვერზე UAE-ს მთვარის მისიის ფარგლებში. ამ ტესტის მიზანი იყო PEEK-ის მდგრადობის შეფასება მთვარის ექსტრემალური პირობების მიმართ. წარმატების შემთხვევაში, PEEK-ს შეუძლია ლითონის ნაწილების ჩანაცვლება იმ სიტუაციებში, როდესაც ლითონის ნაწილები ტყდება ან მასალები მწირია. გარდა ამისა, PEEK-ის მსუბუქი თვისებები შეიძლება ღირებული იყოს კოსმოსის კვლევაში.
3D ბეჭდვის ტექნოლოგიის გამოყენება შესაძლებელია აერონავტიკის ინდუსტრიისთვის სხვადასხვა ნაწილის დასამზადებლად.
3D ბეჭდვის უპირატესობები აერონავტიკის ინდუსტრიაში
3D ბეჭდვის უპირატესობებს აერონავტიკის ინდუსტრიაში ტრადიციულ სამშენებლო ტექნიკასთან შედარებით ნაწილების გაუმჯობესებული საბოლოო გარეგნობა მოიცავს. ავსტრიული 3D პრინტერების მწარმოებელი Lithoz-ის აღმასრულებელმა დირექტორმა, იოჰანეს ჰომამ, განაცხადა, რომ „ეს ტექნოლოგია ნაწილებს ამსუბუქებს“. დიზაინის თავისუფლების გამო, 3D ბეჭდვითი პროდუქტები უფრო ეფექტურია და ნაკლებ რესურსს მოითხოვს. ეს დადებითად მოქმედებს ნაწილების წარმოების გარემოზე ზემოქმედებაზე. Relativity Space-მა აჩვენა, რომ დანამატებით წარმოებას შეუძლია მნიშვნელოვნად შეამციროს კოსმოსური ხომალდის წარმოებისთვის საჭირო კომპონენტების რაოდენობა. Terran 1 რაკეტისთვის 100 ნაწილი დაიზოგა. გარდა ამისა, ამ ტექნოლოგიას მნიშვნელოვანი უპირატესობა აქვს წარმოების სიჩქარეში, რადგან რაკეტის დასრულება 60 დღეზე ნაკლებ დროში სრულდება. ამის საპირისპიროდ, ტრადიციული მეთოდებით რაკეტის წარმოებას შეიძლება რამდენიმე წელი დასჭირდეს.
რესურსების მართვასთან დაკავშირებით, 3D ბეჭდვას შეუძლია მასალების დაზოგვა და, ზოგიერთ შემთხვევაში, ნარჩენების გადამუშავების შესაძლებლობაც კი. და ბოლოს, დანამატებითი წარმოება შეიძლება ღირებული აქტივი გახდეს რაკეტების აფრენის წონის შესამცირებლად. მიზანია ადგილობრივი მასალების, როგორიცაა რეგოლიტი, გამოყენების მაქსიმიზაცია და მასალების კოსმოსურ ხომალდში ტრანსპორტირების მინიმიზაცია. ეს შესაძლებელს ხდის მხოლოდ 3D პრინტერის ტარებას, რომელსაც შეუძლია ყველაფრის ადგილზე შექმნა მოგზაურობის შემდეგ.
„Made in Space“-მა თავისი ერთ-ერთი 3D პრინტერი უკვე გაგზავნა კოსმოსში ტესტირებისთვის.
3D ბეჭდვის შეზღუდვები კოსმოსში
მიუხედავად იმისა, რომ 3D ბეჭდვას მრავალი უპირატესობა აქვს, ტექნოლოგია ჯერ კიდევ შედარებით ახალია და აქვს შეზღუდვები. ადვენიტ მაკაიამ განაცხადა: „აერონავტიკულ ინდუსტრიაში დანამატებითი წარმოების ერთ-ერთი მთავარი პრობლემა პროცესის კონტროლი და ვალიდაციაა“. მწარმოებლებს შეუძლიათ ლაბორატორიაში შევიდნენ და ვალიდაციამდე შეამოწმონ თითოეული ნაწილის სიმტკიცე, საიმედოობა და მიკროსტრუქტურა, პროცესი, რომელიც ცნობილია როგორც არადესტრუქციული ტესტირება (NDT). თუმცა, ეს შეიძლება იყოს როგორც შრომატევადი, ასევე ძვირი, ამიტომ საბოლოო მიზანია ამ ტესტების საჭიროების შემცირება. NASA-მ ცოტა ხნის წინ შექმნა ცენტრი ამ საკითხის მოსაგვარებლად, რომელიც ფოკუსირებულია დანამატებითი წარმოებით წარმოებული ლითონის კომპონენტების სწრაფ სერტიფიცირებაზე. ცენტრის მიზანია ციფრული ტყუპების გამოყენება პროდუქტების კომპიუტერული მოდელების გასაუმჯობესებლად, რაც ინჟინრებს დაეხმარება უკეთ გაიგონ ნაწილების მუშაობა და შეზღუდვები, მათ შორის, თუ რამდენ წნევას უძლებენ ისინი გატეხვამდე. ამით ცენტრი იმედოვნებს, რომ ხელს შეუწყობს 3D ბეჭდვის გამოყენების პოპულარიზაციას აერონავტიკულ ინდუსტრიაში, რაც მას უფრო ეფექტურს გახდის ტრადიციულ წარმოების ტექნიკასთან კონკურენციაში.
ამ კომპონენტებმა გაიარეს ყოვლისმომცველი ტესტირება საიმედოობისა და სიმტკიცის შესახებ.
მეორე მხრივ, ვერიფიკაციის პროცესი განსხვავებულია, თუ წარმოება კოსმოსში ხორციელდება. ESA-ს წარმომადგენელი ადვენიტ მაკაია განმარტავს: „არსებობს ტექნიკა, რომელიც გულისხმობს ნაწილების ანალიზს ბეჭდვის დროს“. ეს მეთოდი ხელს უწყობს იმის დადგენას, თუ რომელი დაბეჭდილი პროდუქტებია შესაფერისი და რომელი არა. გარდა ამისა, არსებობს თვითკორექტირების სისტემა კოსმოსისთვის განკუთვნილი 3D პრინტერებისთვის, რომელიც ლითონის დანადგარებზე ტესტირდება. ამ სისტემას შეუძლია წარმოების პროცესში პოტენციური შეცდომების იდენტიფიცირება და მისი პარამეტრების ავტომატურად შეცვლა, რათა გამოასწოროს ნაწილის ნებისმიერი დეფექტი. მოსალოდნელია, რომ ეს ორი სისტემა გააუმჯობესებს დაბეჭდილი პროდუქტების საიმედოობას კოსმოსში.
3D ბეჭდვის გადაწყვეტილებების დასადასტურებლად, NASA-მ და ESA-მ დაადგინეს სტანდარტები. ეს სტანდარტები მოიცავს ტესტების სერიას ნაწილების საიმედოობის დასადგენად. ისინი ითვალისწინებენ ფხვნილის ფენის შერწყმის ტექნოლოგიას და აახლებენ მათ სხვა პროცესებისთვის. თუმცა, მასალების ინდუსტრიის მრავალი მსხვილი მოთამაშე, როგორიცაა Arkema, BASF, Dupont და Sabic, ასევე უზრუნველყოფენ ამ მიკვლევადობას.
კოსმოსში ცხოვრება?
3D ბეჭდვის ტექნოლოგიის განვითარებასთან ერთად, დედამიწაზე მრავალი წარმატებული პროექტი ვნახეთ, რომლებიც ამ ტექნოლოგიას სახლების ასაშენებლად იყენებენ. ეს გვაფიქრებინებს, შეიძლება თუ არა ეს პროცესი უახლოეს თუ შორეულ მომავალში კოსმოსში საცხოვრებლად ვარგისი სტრუქტურების ასაშენებლად იქნას გამოყენებული. მიუხედავად იმისა, რომ კოსმოსში ცხოვრება ამჟამად არარეალურია, სახლების აშენება, განსაკუთრებით მთვარეზე, შეიძლება სასარგებლო იყოს ასტრონავტებისთვის კოსმოსური მისიების შესრულებისას. ევროპის კოსმოსური სააგენტოს (ESA) მიზანია მთვარეზე გუმბათების აშენება მთვარის რეგოლითის გამოყენებით, რომლის გამოყენებაც შესაძლებელია კედლების ან აგურების ასაშენებლად, რათა ასტრონავტები რადიაციისგან დაიცვან. ESA-ს წარმომადგენლის, ადვენიტ მაკაიას თქმით, მთვარის რეგოლითი დაახლოებით 60% ლითონისა და 40% ჟანგბადისგან შედგება და ასტრონავტების გადარჩენისთვის აუცილებელ მასალას წარმოადგენს, რადგან ამ მასალისგან ამოღების შემთხვევაში, მას შეუძლია ჟანგბადის უსასრულო წყარო უზრუნველყოს.
NASA-მ ICON-ს 57.2 მილიონი დოლარის გრანტი გამოუყო მთვარის ზედაპირზე სტრუქტურების ასაშენებლად 3D ბეჭდვის სისტემის შესაქმნელად და ასევე თანამშრომლობს კომპანიასთან Mars Dune Alpha-ს ჰაბიტატის შესაქმნელად. მიზანია მარსზე საცხოვრებელი პირობების ტესტირება მოხალისეების ერთი წლის განმავლობაში ჰაბიტატში ცხოვრების გზით, წითელ პლანეტაზე არსებული პირობების სიმულირებით. ეს ძალისხმევა წარმოადგენს კრიტიკულ ნაბიჯებს მთვარესა და მარსზე 3D ბეჭდვითი სტრუქტურების უშუალოდ აშენებისკენ, რამაც საბოლოოდ შეიძლება გზა გაუხსნას ადამიანის კოსმოსური კოლონიზაციისთვის.
შორეულ მომავალში, ამ სახლებმა შესაძლოა კოსმოსში სიცოცხლის გადარჩენის საშუალება მისცენ.
გამოქვეყნების დრო: 2023 წლის 14 ივნისი
