Mula noong ika-20 siglo, ang sangkatauhan ay nabighani sa paggalugad sa kalawakan at pag-unawa sa kung ano ang nasa kabila ng Daigdig. Ang mga pangunahing organisasyon tulad ng NASA at ESA ay nangunguna sa paggalugad sa kalawakan, at ang isa pang mahalagang manlalaro sa pananakop na ito ay ang 3D printing. Dahil sa kakayahang mabilis na makagawa ng mga kumplikadong bahagi sa mababang halaga, ang teknolohiyang ito sa disenyo ay nagiging lalong popular sa mga kumpanya. Ginagawa nitong posible ang paglikha ng maraming aplikasyon, tulad ng mga satellite, spacesuit, at mga bahagi ng rocket. Sa katunayan, ayon sa SmarTech, ang halaga sa merkado ng pribadong industriya ng kalawakan na additive manufacturing ay inaasahang aabot sa €2.1 bilyon pagsapit ng 2026. Nagbubunsod ito ng tanong: Paano makakatulong ang 3D printing sa mga tao na maging mahusay sa kalawakan?
Sa simula, ang 3D printing ay pangunahing ginagamit para sa mabilis na prototyping sa mga industriya ng medisina, automotive, at aerospace. Gayunpaman, habang lumalawak ang teknolohiyang ito, lalong ginagamit ito para sa mga bahaging may huling gamit. Ang teknolohiya ng metal additive manufacturing, lalo na ang L-PBF, ay nagbigay-daan sa produksyon ng iba't ibang metal na may mga katangian at tibay na angkop para sa matinding kondisyon sa espasyo. Ang iba pang mga teknolohiya ng 3D printing, tulad ng DED, binder jetting, at extrusion process, ay ginagamit din sa paggawa ng mga bahagi ng aerospace. Sa mga nakaraang taon, lumitaw ang mga bagong modelo ng negosyo, kung saan ang mga kumpanya tulad ng Made in Space at Relativity Space ay gumagamit ng teknolohiya ng 3D printing upang magdisenyo ng mga bahagi ng aerospace.
Bumubuo ang Relativity Space ng 3D printer para sa industriya ng aerospace
Teknolohiya ng 3D printing sa aerospace
Ngayong naipakilala na natin ang mga ito, ating suriing mabuti ang iba't ibang teknolohiya ng 3D printing na ginagamit sa industriya ng aerospace. Una, dapat tandaan na ang metal additive manufacturing, lalo na ang L-PBF, ang pinakamalawak na ginagamit sa larangang ito. Ang prosesong ito ay kinabibilangan ng paggamit ng enerhiya ng laser upang pagsamahin ang metal powder nang patong-patong. Ito ay lalong angkop para sa paggawa ng maliliit, kumplikado, tumpak, at customized na mga bahagi. Maaari ring makinabang ang mga tagagawa ng aerospace mula sa DED, na kinabibilangan ng pagdedeposito ng metal wire o powder at pangunahing ginagamit para sa pagkukumpuni, pagpapatong, o paggawa ng customized na metal o ceramic na mga bahagi.
Sa kabaligtaran, ang binder jetting, bagama't may pakinabang sa mga tuntunin ng bilis ng produksyon at mababang gastos, ay hindi angkop para sa paggawa ng mga high-performance na mekanikal na bahagi dahil nangangailangan ito ng mga hakbang sa pagpapalakas pagkatapos ng pagproseso na nagpapataas ng oras ng paggawa ng huling produkto. Epektibo rin ang teknolohiya ng extrusion sa kapaligirang pangkalawakan. Dapat tandaan na hindi lahat ng polymer ay angkop gamitin sa kalawakan, ngunit ang mga high-performance na plastik tulad ng PEEK ay maaaring pumalit sa ilang mga metal na bahagi dahil sa kanilang lakas. Gayunpaman, ang prosesong ito ng 3D printing ay hindi pa rin gaanong laganap, ngunit maaari itong maging isang mahalagang asset para sa paggalugad sa kalawakan sa pamamagitan ng paggamit ng mga bagong materyales.
Ang Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ay isang malawakang ginagamit na teknolohiya sa 3D printing para sa aerospace.
Potensyal ng mga Materyales sa Kalawakan
Ang industriya ng aerospace ay nagsasaliksik ng mga bagong materyales sa pamamagitan ng 3D printing, na nagmumungkahi ng mga makabagong alternatibo na maaaring makagambala sa merkado. Bagama't ang mga metal tulad ng titanium, aluminum, at nickel-chromium alloys ang palaging pangunahing pokus, isang bagong materyal ang maaaring malapit nang makaagaw ng pansin: ang lunar regolith. Ang lunar regolith ay isang patong ng alikabok na tumatakip sa buwan, at ipinakita ng ESA ang mga benepisyo ng pagsasama nito sa 3D printing. Inilarawan ni Advenit Makaya, isang senior manufacturing engineer ng ESA, ang lunar regolith bilang katulad ng kongkreto, pangunahing binubuo ng silicon at iba pang elementong kemikal tulad ng iron, magnesium, aluminum, at oxygen. Nakipagsosyo ang ESA sa Lithoz upang makagawa ng maliliit na functional na bahagi tulad ng mga turnilyo at gear gamit ang simulated lunar regolith na may mga katangiang katulad ng totoong alikabok ng buwan.
Karamihan sa mga prosesong kasangkot sa paggawa ng lunar regolith ay gumagamit ng init, kaya tugma ito sa mga teknolohiyang tulad ng SLS at mga solusyon sa pag-imprenta ng powder bonding. Gumagamit din ang ESA ng teknolohiyang D-Shape na may layuning makagawa ng mga solidong bahagi sa pamamagitan ng paghahalo ng magnesium chloride sa mga materyales at pagsasama-sama nito sa magnesium oxide na matatagpuan sa kunwaring ispesimen. Isa sa mga makabuluhang bentahe ng materyal na ito para sa buwan ay ang mas pinong resolusyon sa pag-print, na nagbibigay-daan dito upang makagawa ng mga bahagi na may pinakamataas na katumpakan. Ang tampok na ito ay maaaring maging pangunahing asset sa pagpapalawak ng hanay ng mga aplikasyon at mga bahagi ng paggawa para sa mga base sa buwan sa hinaharap.
Nasa Lahat ng dako ang Lunar Regolith
Nariyan din ang Martian regolith, na tumutukoy sa materyal sa ilalim ng lupa na matatagpuan sa Mars. Sa kasalukuyan, hindi pa kayang makuha muli ng mga internasyonal na ahensya sa kalawakan ang materyal na ito, ngunit hindi nito napigilan ang mga siyentipiko na saliksikin ang potensyal nito sa ilang mga proyekto sa aerospace. Gumagamit ang mga mananaliksik ng mga kunwaring ispesimen ng materyal na ito at pinagsasama ito sa titanium alloy upang makagawa ng mga kagamitan o bahagi ng rocket. Ipinapahiwatig ng mga unang resulta na ang materyal na ito ay magbibigay ng mas mataas na lakas at poprotekta sa kagamitan mula sa kalawang at pinsala sa radiation. Bagama't ang dalawang materyales na ito ay may magkatulad na katangian, ang lunar regolith pa rin ang pinakasubok na materyal. Ang isa pang bentahe ay ang mga materyales na ito ay maaaring gawin on-site nang hindi kinakailangang magdala ng mga hilaw na materyales mula sa Earth. Bilang karagdagan, ang regolith ay isang hindi mauubos na mapagkukunan ng materyal, na nakakatulong upang maiwasan ang kakulangan.
Ang mga aplikasyon ng teknolohiya ng 3D printing sa industriya ng aerospace
Ang mga aplikasyon ng teknolohiya ng 3D printing sa industriya ng aerospace ay maaaring mag-iba depende sa partikular na prosesong ginagamit. Halimbawa, ang laser powder bed fusion (L-PBF) ay maaaring gamitin sa paggawa ng mga masalimuot na panandaliang piyesa, tulad ng mga tool system o mga spare part sa kalawakan. Ang Launcher, isang startup na nakabase sa California, ay gumamit ng teknolohiya ng sapphire-metal 3D printing ng Velo3D upang mapahusay ang E-2 liquid rocket engine nito. Ang proseso ng tagagawa ay ginamit upang likhain ang induction turbine, na gumaganap ng mahalagang papel sa pagpapabilis at pagpapaandar ng LOX (liquid oxygen) papunta sa combustion chamber. Ang turbine at sensor ay inilimbag gamit ang teknolohiya ng 3D printing at pagkatapos ay binuo. Ang makabagong bahaging ito ay nagbibigay sa rocket ng mas malaking daloy ng likido at mas malaking thrust, na ginagawa itong isang mahalagang bahagi ng makina.
Nag-ambag ang Velo3D sa paggamit ng teknolohiyang PBF sa paggawa ng E-2 liquid rocket engine.
Malawak ang aplikasyon ng additive manufacturing, kabilang ang produksyon ng maliliit at malalaking istruktura. Halimbawa, ang mga teknolohiya ng 3D printing tulad ng Stargate solution ng Relativity Space ay maaaring gamitin sa paggawa ng malalaking bahagi tulad ng mga tangke ng gasolina ng rocket at mga blade ng propeller. Napatunayan ito ng Relativity Space sa pamamagitan ng matagumpay na produksyon ng Terran 1, isang halos buong 3D-printed na rocket, kabilang ang isang tangke ng gasolina na ilang metro ang haba. Ang unang paglulunsad nito noong Marso 23, 2023, ay nagpakita ng kahusayan at pagiging maaasahan ng mga proseso ng additive manufacturing.
Ang teknolohiyang 3D printing na nakabatay sa extrusion ay nagbibigay-daan din sa paggawa ng mga bahagi gamit ang mga materyales na may mataas na pagganap tulad ng PEEK. Ang mga bahaging gawa sa thermoplastic na ito ay nasubukan na sa kalawakan at inilagay sa Rashid rover bilang bahagi ng misyon sa buwan ng UAE. Ang layunin ng pagsubok na ito ay upang suriin ang resistensya ng PEEK sa matinding kondisyon sa buwan. Kung magtagumpay, maaaring mapalitan ng PEEK ang mga bahaging metal sa mga sitwasyon kung saan nasisira ang mga bahaging metal o kakaunti ang mga materyales. Bukod pa rito, ang mga magaan na katangian ng PEEK ay maaaring maging mahalaga sa paggalugad sa kalawakan.
Ang teknolohiyang 3D printing ay maaaring gamitin sa paggawa ng iba't ibang bahagi para sa industriya ng aerospace.
Mga Bentahe ng 3D Printing sa Industriya ng Aerospace
Kabilang sa mga bentahe ng 3D printing sa industriya ng aerospace ang pinahusay na pangwakas na anyo ng mga bahagi kumpara sa mga tradisyonal na pamamaraan ng konstruksyon. Sinabi ni Johannes Homa, CEO ng Austrian 3D printer manufacturer na Lithoz, na "ginagaan ng teknolohiyang ito ang mga bahagi." Dahil sa kalayaan sa disenyo, ang mga produktong 3D printing ay mas mahusay at nangangailangan ng mas kaunting mapagkukunan. Mayroon itong positibong epekto sa epekto sa kapaligiran ng produksyon ng mga bahagi. Ipinakita ng Relativity Space na ang additive manufacturing ay maaaring makabuluhang bawasan ang bilang ng mga bahaging kinakailangan sa paggawa ng spacecraft. Para sa Terran 1 rocket, 100 bahagi ang natipid. Bukod pa rito, ang teknolohiyang ito ay may mga makabuluhang bentahe sa bilis ng produksyon, kung saan ang rocket ay nakumpleto sa loob ng wala pang 60 araw. Sa kabaligtaran, ang paggawa ng rocket gamit ang mga tradisyonal na pamamaraan ay maaaring tumagal ng ilang taon.
Tungkol sa pamamahala ng mapagkukunan, ang 3D printing ay maaaring makatipid ng mga materyales at, sa ilang mga kaso, ay maaaring magbigay-daan pa sa pag-recycle ng basura. Panghuli, ang additive manufacturing ay maaaring maging isang mahalagang asset para mabawasan ang bigat ng mga rocket sa pag-take-off. Ang layunin ay upang mapakinabangan nang husto ang paggamit ng mga lokal na materyales, tulad ng regolith, at mabawasan ang transportasyon ng mga materyales sa loob ng spacecraft. Ginagawa nitong posible na magdala lamang ng isang 3D printer, na maaaring lumikha ng lahat ng bagay sa lugar pagkatapos ng biyahe.
Nagpadala na ang Made in Space ng isa sa kanilang mga 3D printer sa kalawakan para sa pagsubok.
Mga Limitasyon ng 3D printing sa kalawakan
Bagama't maraming bentahe ang 3D printing, ang teknolohiyang ito ay medyo bago pa lamang at may mga limitasyon. Sinabi ni Advenit Makaya, "Isa sa mga pangunahing problema sa additive manufacturing sa industriya ng aerospace ay ang pagkontrol sa proseso at pagpapatunay." Maaaring pumasok ang mga tagagawa sa laboratoryo at subukan ang lakas, pagiging maaasahan, at microstructure ng bawat bahagi bago ang pagpapatunay, isang prosesong kilala bilang non-destructive testing (NDT). Gayunpaman, maaari itong maging matagal at magastos, kaya ang pangunahing layunin ay bawasan ang pangangailangan para sa mga pagsubok na ito. Kamakailan ay nagtatag ang NASA ng isang sentro upang matugunan ang isyung ito, na nakatuon sa mabilis na sertipikasyon ng mga bahaging metal na ginawa ng additive manufacturing. Nilalayon ng sentro na gamitin ang digital twins upang mapabuti ang mga modelo ng computer ng mga produkto, na makakatulong sa mga inhinyero na mas maunawaan ang pagganap at mga limitasyon ng mga bahagi, kabilang ang kung gaano karaming presyon ang kaya nilang tiisin bago mabali. Sa paggawa nito, umaasa ang sentro na makatulong sa pagsusulong ng aplikasyon ng 3D printing sa industriya ng aerospace, na ginagawa itong mas epektibo sa pakikipagkumpitensya sa mga tradisyonal na pamamaraan sa pagmamanupaktura.
Ang mga bahaging ito ay sumailalim sa komprehensibong pagsubok sa pagiging maaasahan at lakas.
Sa kabilang banda, iba ang proseso ng beripikasyon kung ang paggawa ay ginagawa sa kalawakan. Paliwanag ni Advenit Makaya ng ESA, "Mayroong isang pamamaraan na kinabibilangan ng pagsusuri sa mga bahagi habang nagpi-print." Ang pamamaraang ito ay nakakatulong na matukoy kung aling mga naka-print na produkto ang angkop at alin ang hindi. Bukod pa rito, mayroong isang self-correction system para sa mga 3D printer na inilaan para sa kalawakan at sinusubukan sa mga metal machine. Matutukoy ng sistemang ito ang mga potensyal na error sa proseso ng paggawa at awtomatikong babaguhin ang mga parameter nito upang itama ang anumang mga depekto sa bahagi. Inaasahang mapapabuti ng dalawang sistemang ito ang pagiging maaasahan ng mga naka-print na produkto sa kalawakan.
Upang mapatunayan ang mga solusyon sa 3D printing, ang NASA at ESA ay nagtatag ng mga pamantayan. Kasama sa mga pamantayang ito ang isang serye ng mga pagsubok upang matukoy ang pagiging maaasahan ng mga bahagi. Isinasaalang-alang nila ang teknolohiya ng powder bed fusion at ina-update ang mga ito para sa iba pang mga proseso. Gayunpaman, maraming pangunahing manlalaro sa industriya ng mga materyales, tulad ng Arkema, BASF, Dupont, at Sabic, ang nagbibigay din ng traceability na ito.
Naninirahan sa kalawakan?
Sa pagsulong ng teknolohiya ng 3D printing, nakakita na tayo ng maraming matagumpay na proyekto sa Daigdig na gumagamit ng teknolohiyang ito upang magtayo ng mga bahay. Dahil dito, napaisip tayo kung ang prosesong ito ay maaaring gamitin sa malapit o malayong hinaharap upang magtayo ng mga istrukturang matitirhan sa kalawakan. Bagama't hindi makatotohanan ang paninirahan sa kalawakan sa kasalukuyan, ang pagtatayo ng mga bahay, lalo na sa buwan, ay maaaring maging kapaki-pakinabang para sa mga astronaut sa pagsasagawa ng mga misyon sa kalawakan. Ang layunin ng European Space Agency (ESA) ay magtayo ng mga simboryo sa buwan gamit ang lunar regolith, na maaaring gamitin upang magtayo ng mga pader o ladrilyo upang protektahan ang mga astronaut mula sa radiation. Ayon kay Advenit Makaya mula sa ESA, ang lunar regolith ay binubuo ng humigit-kumulang 60% na metal at 40% na oxygen at isang mahalagang materyal para sa kaligtasan ng mga astronaut dahil maaari itong magbigay ng walang katapusang pinagmumulan ng oxygen kung kukunin mula sa materyal na ito.
Nagbigay ang NASA ng $57.2 milyong grant sa ICON para sa pagbuo ng 3D printing system para sa pagtatayo ng mga istruktura sa ibabaw ng buwan at nakikipagtulungan din sa kumpanya upang lumikha ng tirahan sa Mars Dune Alpha. Ang layunin ay subukan ang mga kondisyon ng pamumuhay sa Mars sa pamamagitan ng pagpapatira ng mga boluntaryo sa isang tirahan sa loob ng isang taon, na ginagaya ang mga kondisyon sa Pulang Planeta. Ang mga pagsisikap na ito ay kumakatawan sa mga kritikal na hakbang tungo sa direktang pagtatayo ng mga istrukturang naka-print sa 3D sa buwan at Mars, na kalaunan ay maaaring magbukas ng daan para sa kolonisasyon ng tao sa kalawakan.
Sa malayong hinaharap, ang mga bahay na ito ay maaaring magbigay-daan sa buhay na mabuhay sa kalawakan.
Oras ng pag-post: Hunyo-14-2023
