Новият потенциал на 3D принтиране: междузвездната миграция и развитието на космическите

Чрез използването на 3D компютърна технология, технологията на производство на строителни обекти чрез натрупване на материали по слой става все по-челните редици на производството на космически съоръжения. Учените смятат, че 3D принтиране може значително да ускори развитието на извънземно пространство. Как да оптимизираме "космическата промишленост" на 3D принтери и да подобрим безопасността на печатните компоненти? Как да използваме новите технологии за създаване на ултра-светли оптични системи за наносетелити? Изследователи от руски университети (членове на проекта "5-100") представиха последните си разработки.

Едно от основните предимства на новия метод е, че 3D принтер може да замени голям брой оборудване в традиционна фабрика. През ноември 2020 г. списание Forbes включва добавка технология за производство (от латинската additivus-add) в списъка на пет революционни нови технологии, достойни за вниманието на предприемачите. Авторът на статията посочи, че адитивна технология за производство ще донесе огромни ползи за космическата индустрия. В тази област теглото на продукта обикновено е най-важният фактор, който влияе върху транспортните разходи.

Space 3D печат може значително да ускори развитието на извънземно пространство; технология за производство също активно прониква в ракетната промишленост.

На 30 май 2020 г. каските на астронавтите Робърт Бейкън и Дъг, участвали в изстрелването на космически кораби Екипаж дракон и ракета Falcon 9 са пригодени с помощта на 3D технология за печат.

Elon Musk, ръководител на SpaceX Aerospace Corporation, заяви, че с помощта на 3D печат, могат да бъдат произведени трайни високопроизводителни части на двигателя, а времето и парите, изразходвани са само малка част от използването на традиционните методи за производство. През 2014 г. SpaceX вече е произвел първия 3D печатен компонент.

"Blue Origin" космическата компания Джеф Безос използва адитивна технология за производство, за да отпечата компоненти на двигателя BE-4. Млади ракетни компании от САЩ (Relativistic Space) и Обединеното кралство (Obex) също планират да се възползват пълноценно от възможностите на 3D принтери.

Подобряване на безопасността на 3D-компонентите

В същото време, дори и най-малките дефекти в 3D печатни компоненти са от жизненоважно значение за безопасността на създаденото оборудване. Учените в Националния изследователски университет по технологии MISIS (NUST MISIS) са били в състояние да подобри технологията на 3D печат на алуминий и да увеличи твърдостта на продукта от 1.5 пъти.

УЧЕНИТЕ ОТ NUST MISIS смятат, че основният риск от такива дефекти е високата порьозност на материала, една от причините е характеристиките на оригиналния алуминиев прах. За да се гарантира, че микроструктурата на отпечатания продукт е еднаква и гъста, учените предложиха метод за добавяне на въглеродни нанофибери към алуминиевия прах, за да се гарантира ниска порьозност на материала и да се увеличи неговата твърдост с 1,5 пъти. Резултатите от изследванията са публикувани в списание "Композитни съобщения".

Професор Александър Громов от NUST MISIS каза: "Въглеродните нанофибери имат висока топлопроводимост, което помага да се сведе до минимум температурния градиент между слоевете печат по време на селективния етап на топене лазер по време на процеса на синтез на продукта. Следователно, материалът Нехомогенността на микроструктурата може да бъде почти напълно елиминирана."

Използваните въглеродни нанофибери са вторичен продукт от преработката на газ, свързан с нефтени терени. По време на процеса на каталитично разлагане, въглеродните акумулации се натрупват под формата на нанофибери върху металните частици, диспергирани от катализатора. Учените също така посочиха, че свързаният с това газ обикновено се "вентилира и изгаря" в нефтените и газовите полета, причинявайки вреди на околната среда, така че използването на този нов метод има важно значение за опазването на околната среда.

Оптимизирайте "Космическата промишленост"

Elon Musk и други експерти са убедени, че 3D печат може да помогне за бъдещото развитие на космоса, като например колонизирането на Марс.

За да оцелеете на Марс, трябва да можете да започнете производството там и най-добре да използвате местните материали. 3D принтерът може да се използва за изграждане на база и изграждане на жизнена среда там.

Дори и сега, в работата на Международната космическа станция (МСИ), проблемът за получаване на материали е все още сериозен, а астронавтите на следващия товарен космически кораб трябва да чакат няколко месеца. Понякога важни малки части са повредени или загубени, например, пластмасовата щепсела на електрически контакт често се губи. В този случай 3D принтерите могат да решат този проблем, като отпечатват пластмасови продукти в пространството. В бъдеще, по време на междузвездните полети, проблемите с наличността ще станат по-остри и търсенето на такива принтери неизбежно ще се увеличи.

През 2016 г. НАСА поръча "Made in Space" да инсталира постоянен 3D принтер на Международната космическа станция, за да произвежда инструменти, оборудване и всичко друго, от което може да се нуждаят астронавтите. Впоследствие някои европейски, китайски и други компании също обявиха производството на подобни машини.

Изследователят, който разработи 3D принтер, учен в Томския технологичен университет (TPU), каза, че 3D принтерът, произведен в Русия, ще влезе в космоса през 2021. Предимството му е по-модерна модулна система, която може да реализира подобрения на оборудването и поддръжка. Следователно, когато 3D печатните материали преминат от прости пластмаси към суперструктури или композитни материали, инженерите няма да трябва да изграждат нови принтери като американските си колеги днес и след това да ги доставят на МКС.

Василий Федоров, ръководител на лабораторията за съвременни технологии за производство и производство на TPU, заяви: "Сега, работното оформление на 3D принтера е в последния етап. Оборудването, изпратено до МКС, има строга устойчивост на машини, атмосферни и други товари. Изискване. Освен това, за да се гарантира, че 3D принтерът е абсолютно безопасен за астронавти. Сега всичко това е под контрол и са извършени серия от тестове и инспекции. В същото време софтуерът, създаден специално за принтера, е подобрен."

Създаване на ултра-светли оптични системи за наносетелити

Възможността за 3D принтиране позволява на учените в Университета Самара да създадат уникална ултра-светлина оптична система за наносателити с дифрактивна оптика. Изследователите казват, че това ще бъде първият в света обектив с дифрактивна оптика, която ще влезе в космоса.

Ядрото на оптичната система е равнината дифрактивна леща, разработена в университета, която има уникални характеристики. Обективът, базиран на този обектив, замества системата на обектива на съвременната леща с дълъг обсег на действие, а неговите характеристики са леки (с оптични компоненти с тегло по-малко от 100 грама) и малки размери.

Лещата има иновативна обвивка с бионична форма и е проектирана с най-добрата технология за намаляване на теглото, като същевременно поддържа якостните характеристики. Комплексната външна форма и вътрешната структура на компонентите на космическия кораб са отпечатани върху селективното оборудване SLM280HL.

Според учените, за да се намали теглото на компонентите колкото е възможно, топология оптимизация е извършена във вътрешната му структура, в резултат на което са добавени специални шесточковидни блокове. Размерът на частта е 70×80×100 мм. Поради използването на технологията за производство на добавка, теглото му е с около 40% по-малко от подобни части, произведени по традиционни методи.

Виталий Смайълов, доцент в преподавателския кабинет по технология за производство на двигатели в Samara University, каза: "Черупката на лещите е изработена от AlSi10Mg алуминиева сплав на прах. Сплавта, произведена в Русия, се радва на висока репутация както в Русия, така и в чужбина. В областта на авиацията и въздухоплаването, теглото е основната характеристика и индустрията се опитва да намали този показател."

Учените извършили многоетапно топология оптимизация на оригиналната структура, получени и анализирани няколко форми.

Антон Агапович, изследовател в Университета в Самара, каза: "Ние сме си сътрудничили с експерти в областта на CADFEM CIS топология оптимизация и адитивна технология за производство и са направили много работа за получаване на нов вид структура, за да отговори на нуждите на световната космическа индустрия съвременни изисквания."

Според учените подобни продукти, като лещата на cubeSat Gecko Imager (Gecko Imager), струват 23 000 евро, а цената на оптичната система, която разработват, ще бъде много по-ниска.

Планът "5-100", изпълняван в рамките на националния "образование" проект, има за цел да помогне на руските университети да увеличат своя потенциал за научни изследвания и да подобрят своята конкурентна позиция на пазара на глобалното образование услуги.