Novi potencial 3D tiskanja: medzvezdna migracija in razvoj prostora

Z uporabo 3D računalniške tehnologije postaja aditivna tehnologija izdelave gradbenih predmetov s pomočjo plasti po plasti kopičenja materialov vse bolj v čelu proizvodnje vesoljske opreme. Znanstveniki menijo, da lahko 3D tisk bistveno pospeši razvoj vesolja. Kako optimizirati "proizvodnjo prostora" 3D tiskalnikov in izboljšati varnost tiskanih komponent? Kako uporabljati nove tehnologije za ustvarjanje ultra lahkih optičnih sistemov za nanosatellites? Raziskovalci ruskih univerz (člani projekta "5-100" ) so predstavili svoje najnovejše dogodke.

Ena od glavnih prednosti nove metode je, da lahko 3D tiskalnik zamenja veliko število opreme v tradicionalni tovarni. Novembra 2020 je revija Forbes na seznam petih revolucionarnih novih tehnologij, vrednih pozornosti podjetnikov, vključila tehnologijo za proizvodnjo dodatkov (iz latinskega additivus-adda). Avtor članka je poudaril, da bo tehnologija za proizvodnjo dodatkov prinesla ogromne koristi letalski industriji. Na tem področju je teža izdelka običajno najpomembnejši dejavnik, ki vpliva na stroške prevoza.

Space 3D tisk lahko bistveno pospeši razvoj nezemeljskega prostora; aditiva proizvodna tehnologija tudi aktivno vdihuje v proizvodno industrijo raket.

30. maja 2020 so bile čelade astronavtov Roberta Bacona in Douga Hurleyja, ki sta sodelovala pri izstrelitvi vesoljskega plovila Crew Dragon in rakete Falcon 9, prilagojene s pomočjo 3D tehnologije tiskanja.

Elon Musk, vodja SpaceX Aerospace Corporation, je dejal, da je z uporabo 3D tiskanja mogoče proizvajati trajne visokozmogljive motorne dele, čas in porabljen denar pa sta le majhen del uporabe tradicionalnih proizvodnih metod. Leta 2014 je SpaceX že izdeloval prvo 3D tiskano komponento.

Letalsko podjetje "Blue Origin" Jeff Bezos uporablja tehnologijo izdelave dodatkov za tiskanje komponent motorja BE-4. Tudi mlada raketna podjetja iz Združenih držav Amerike (Relativistični prostor) in Združenega kraljestva (Obex) nameravajo v celoti izkoristiti možnosti 3D tiskalnikov.

Izboljšanje varnosti 3D-komponent

Hkrati so tudi najmanjše napake v 3D tiskanih komponentah ključnega pomena za varnost ustvarjene opreme. Znanstveniki na Nacionalni raziskovalni univerzi za tehnologijo MISIS (NUST MISIS) so lahko izboljšali 3D tehnologijo tiskanja aluminija in povečali trdoto izdelka za 1,5 krat.

Raziskovalci NUST MISIS menijo, da je glavno tveganje za takšne napake visoka poroznost materiala, eden od razlogov so značilnosti prvotnega aluminijastega prahu. Da bi zagotovili, da je mikrostruktura tiskanega izdelka enotna in gosta, so znanstveniki predlagali metodo dodajanja ogljikovih nanovlakov v aluminijski prašek, da bi zagotovili nizko poroznost materiala in povečali njegovo trdoto za 1,5-krat. Rezultati raziskav so objavljeni v reviji "Composites Communications".

Profesor Alexander Gromov iz NUST MISIS je dejal: "Ogljikova nanofibers ima visoko toplotno prevodnost, ki pomaga zmanjšati temperaturni gradient med plastmi tiskanja med selektivno fazo laserskega taljenja med procesom sinteze izdelka. Zato je material Nehomogenost mikrostrukture mogoče skoraj popolnoma odpraviti.«.

Uporabljena ogljikova nanovlaska vlakna so skozenj predelave z naftnim poljem povezanega plina. Med postopkom katalitične razgradnje se ogljik kopiči v obliki nanovlakov na kovinskih delcih, ki jih katalizant razprši. Znanstveniki so še poudarili, da se s tem povezani plin na naftnih in plinskih poljih običajno "izpušča in sežiga", kar povzroča škodo okolju, zato ima uporaba te nove metode pomemben pomen varstva okolja.

Optimizirajte "Izdelava prostora"

Elon Musk in drugi strokovnjaki so prepričani, da lahko 3D tisk pomaga prihodnjemu razvoju vesolja, kot je na primer koloniziranje Marsa.

Če želite preživeti na Marsu, morate biti sposobni začeti proizvodnjo tam, in najbolje uporabiti lokalne materiale. 3D tiskalnik se lahko uporablja za izgradnjo osnove in izgradnjo življenjskega okolja tam.

Tudi zdaj je pri delu Mednarodne vesoljske postaje (ISS) problem pridobivanja materialov še vedno resen, astronavti naslednjega tovornega vesoljskega plovila pa bodo morali počakati nekaj mesecev. Včasih so pomembni majhni deli poškodovani ali izgubljeni, na primer, plastični vtič električnega stika je pogosto izgubljen. V tem primeru lahko 3D tiskalniki rešijo ta problem s tiskanjem plastičnih izdelkov v prostoru. V prihodnosti bodo med medzvezdnim letom težave z razpoložljivostjo postale bolj akutne, povpraševanje po takšnih tiskalnikih pa se bo nedvomno povečalo.

Leta 2016 je NASA napotil Made in Space, da namesti trajni 3D tiskalnik na Mednarodno vesoljsko postajo za izdelavo orodij, opreme in vsega drugega, kar bi lahko astronavti potrebovali. Nato so nekatera evropska, kitajska in druga podjetja napovedala tudi izdelavo podobnih strojev.

Raziskovalec, ki je razvil 3D tiskalnik, znanstvenik na Tomsk University of Technology (TPU), je dejal, da bo 3D tiskalnik, proizveden v Rusiji, vstopil v vesolje leta 2021. Njegova prednost je naprednejši modularni sistem, ki lahko realizira nadgradnje in vzdrževanje opreme. Zato, ko 3D tiskarski materiali preklopijo iz preproste plastike na nadgradnje ali komposite materiale, inženirjem danes ne bo treba graditi novih tiskalnikov, kot so njihovi ameriški kolegi, in jih nato dostaviti v ISS.

Vasilij Fedorov, vodja TPU-jevega znanstvenega in proizvodnega laboratorija za sodobno proizvodno tehnologijo, je dejal: "Zdaj je postavitev dela 3D tiskalnika v zadnji fazi. Oprema, poslana ISS, ima strogo odpornost na stroje, vreme in druge obremenitve. Zahteva. Poleg tega, da bi zagotovili, da je 3D tiskalnik popolnoma varen za astronavte. Vse to je pod nadzorom, opravljenih je bilo več testov in pregledov. Hkrati je bila programska oprema, ki je bila nastavljena posebej za tiskalnik, izboljšana."

Ustvarite ultra lahke optične sisteme za nanosatellites

Možnost 3D tiskanja omogoča znanstvenikom na Univerzi Samara, da ustvarijo edinstven ultra lahki optični sistem za nanosatellite z diferaktivno optiko. Raziskovalci pravijo, da bo to prvi objektiv na svetu z diferaktivno optiko, ki bo vstopil v vesolje.

Jedro optičnega sistema je ravnina difraktiven objektiv, razvit na univerzi, ki ima edinstvene značilnosti. Objektiv, ki temelji na tem objektivu, nadomešča objektivni sistem sodobnega objektiva dolgega dosega, njegove značilnosti pa so lahke (z optičnimi komponentami, ki tehtajo manj kot 100 gramov) in majhne velikosti.

Objektiv ima inovativno bionsko obliko lupine in je zasnovan z najboljšo tehnologijo, da zmanjša težo, hkrati pa ohranja lastnosti trdnosti. Kompleksna zunanja oblika in notranja struktura komponent vesoljskega plovila sta 3D natisnjena na SLM280HL selektivni laserski fuzijski opremi.

Po mnenju znanstvenikov, da bi čim bolj zmanjšali težo sestavnih delov, je bila v svoji notranji strukturi izvedena topološka optimizacija, zaradi česar so bili dodani posebni bloki iz zosov. Velikost dela je 70×80×100 mm. Zaradi uporabe tehnologije za proizvodnjo dodatkov je njena teža približno 40% lažja od podobnih delov, izdelanih po tradicionalnih metodah.

Vitaly Smailov, izredni profesor na Uradu za poučevanje in raziskave tehnologije proizvodnje motorjev na Univerzi Samara, je dejal: "Lupina objektiva je izdelana iz AlSi10Mg aluminijaste zliine v prahu. Zlitina, proizvedena v Rusiji, ima visok ugled tako v Rusiji kot v tujini. Na področju letalstva in letalstva je teža glavna značilnost, industrija pa je poskušala zmanjšati ta kazalnik."

Znanstveniki so izvedli večstopenjsko topologijo optimizacije prvotne strukture, pridobili in analizirali več oblik.

Anton Agapovich, raziskovalec na Univerzi v Samari, je dejal: "Sodelovali smo s strokovnjaki na področju CADFEM CIS topologije optimizacije in tehnologije za proizvodnjo dodatkov in naredili veliko dela za pridobitev nove vrste strukture za zadostitev potrebam svetovne letalske industrije Sodobne zahteve."

Po mnenju znanstvenikov so podobni izdelki, kot je objektiv cubeSat Gecko Imager (Gecko Imager), stali 23.000 evrov, cena optičnega sistema, ki ga razvijajo, pa bo precej nižja.

Namen načrta "5-100", ki se izvaja v okviru nacionalnega projekta "izobraževanje", je pomagati ruskim univerzam povečati svoj znanstveno-raziskovalni potencial in izboljšati svoj konkurenčni položaj na svetovnem trgu izobraževalnih storitev.