Od XX wieku eksploracja kosmosu stała się faktem. Duże organizacje, takie jak NASA i Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), odgrywają kluczową rolę w tym obszarze. Ważną rolę w podboju kosmosu odgrywa także druk 3D.
Dzięki niemu możliwe jest obecnie tworzenie skomplikowanych części szybko i niewielkim kosztem. Ta metoda produkcji pozwoliła na wiele zastosowań, takich jak satelity, skafandry kosmiczne, części rakiet itp. Według SmarTech wartość rynkowa wytwarzania przyrostowego w prywatnym przemyśle kosmicznym ma osiągnąć 2,1 miliarda euro do 2026 roku. Pytanie, które możemy sobie teraz zadać, brzmi: w jaki sposób druk 3D może pozwolić nam zająć miejsce w przestrzeni?
Na początku produkcja przyrostowa była wykorzystywana do szybkiego prototypowania i zastosowań narzędziowych. Jednak z biegiem lat i demokratyzacji technologii proces ten został ostatecznie wykorzystany w produkcji części do użytku końcowego.
Technologie 3D w sektorze lotniczym
Przyjrzyjmy się teraz bliżej różnym technologiom druku 3D stosowanym w sektorze lotniczym. Przede wszystkim należy zauważyć, że w branży najbardziej rozpowszechniona jest produkcja przyrostowa metali, a dokładniej spiekanie laserowe sproszkowanych metali osadzanych warstwa po warstwie (Direct Metal Laser Sintering — DMLS). Jest to szczególnie przydatna metoda do produkcji małych, złożonych, szczegółowych i niestandardowych części.
HP stosuje inny proces, który według Webera jest tańszy i bardziej wydajny. Drukarki z serii HP Metal Jet tworzą obiekt, rozprowadzając warstwy proszku metalu, a następnie spryskują je spoiwem w celu ich zespolenia.
Obiekty, które zasadniczo składają się ze spojonego pyłu metalicznego, początkowo nie są zbyt stabilne. Cienkie kawałki można łamać gołymi rękami. Części są następnie umieszczane w piecu, gdzie ekstremalne ciepło spaja proszek. W efekcie powstają stosunkowo lekkie i gładkie części z zaskakująco drobnymi szczegółami. Klienci mogą wybierać spośród szerokiej gamy stopów, a HP współpracuje z różnymi dostawcami, aby udostępnić ich materiały dla Metal Jet.
Coraz częściej stosowane są również wysokowydajne tworzywa sztuczne, które mogą zastąpić niektóre części metalowe ze względu na ich wytrzymałość. Może to stanowić ważny atut w eksploracji kosmosu z wykorzystaniem nowych materiałów.
Potencjał materiałów
Zastosowanie druku 3D w sektorze lotniczym pozwala na odkrywanie nowych materiałów i proponowanie alternatyw, które mogłyby zrewolucjonizować rynek. Najpopularniejszymi metalami są tytan, aluminium lub inconel, ale jednym z materiałów, który może się wyróżnić w nadchodzących latach, będzie regolit księżycowy. Jest to rodzaj pyłu pokrywającego Księżyc. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) wykazała zalety tego materiału w połączeniu z drukiem 3D. Advenit Makaya, inżynier zaawansowanej produkcji w ESA, wyjaśnia: „Księżycowy regolit jest, jak beton. To piasek składający się głównie z krzemu, niektórych pierwiastków chemicznych, takich jak żelazo, magnez czy aluminium. Składa się również z tlenu”. We współpracy z Lithoz ESA wyprodukowała małe funkcjonalne części, takie jak śruby i koła zębate. „Większość procesów, nad którymi pracujemy, aby rozwinąć produkcję z regolitu księżycowego, wykorzystuje procesy wymagające ciepła” – dodaje Advenit Makaya. „Dlatego materiał ten jest kompatybilny z technologiami takimi jak SLS i MJF”. Jeśli chodzi o jego właściwości, to materiał księżycowy umożliwiłby druk o wyższej rozdzielczości. Według ESA materiał ten miałby zdolność wytwarzania części o najwyższym poziomie precyzji. Detal ten byłby istotnym atutem w poszerzaniu zakresu zastosowań i w przyszłości produkcji komponentów odpowiednich dla baz księżycowych.
Zalety wytwarzania przyrostowego w eksploracji kosmosu
Druk 3D to atrakcyjna technologia, zwłaszcza jeśli chodzi o wykończenie elementów. „Dzięki tej technologii części są lżejsze ” – mówi Johannes Homa, dyrektor generalny Lithoz, austriackiego producenta drukarek 3D. „Dzięki swobodzie projektowania komponenty są też bardziej wydajne i wymagają mniej zasobów. Oczywiście wpływa to pozytywnie na środowisko”. Druk 3D może zmniejszyć liczbę komponentów potrzebnych do zbudowania statku kosmicznego. W przypadku rakiety Terran 1 dzięki produkcji przyrostowej zredukowano o 100 sztuk liczbę części. Ponadto technologia ta oferuje ogromną zaletę pod względem szybkości produkcji. Rakieta Kosmiczna Relativity Space została ukończona w niecałe 60 dni. Dla porównania, zbudowanie kolejnej rakiety w tradycyjny sposób może zająć kilka lat.
Jeśli chodzi o zarządzanie zasobami, druk 3D z definicji pozwala na oszczędzanie materiałów, a w niektórych przypadkach na recykling odpadów. Wreszcie, produkcja przyrostowa byłaby ogromnym atutem, jeśli chodzi o zmniejszenie masy rakiet podczas startu. Rzeczywiście chodzi o maksymalne wykorzystanie lokalnych materiałów, w tym przypadku regolitu, i zminimalizowanie transportu materiału w statku kosmicznym. Tym samym możliwy będzie jedynie transport drukarki 3D, która będzie mogła stworzyć wszystko na miejscu.
Marsjański łazik Kalmna podbija kosmos
Mimo tego, że Polska nie ma kosmodromu, czyli miejsca startów statków kosmicznych, ani nie wysłała w kosmos w pełni zaprojektowanej i wybudowanej przez siebie rakiety, to rodzimi naukowcy mają spory udział w rozwoju technologii kosmicznych. Polscy studenci z krakowskiej Akademii Górniczo-Hutniczej (AGH) skonstruowali z wykorzystaniem m.in. druku 3D nowatorskiego łazika marsjańskiego, który w ostatnich latach wygrywa branżowe konkursy z serii Rover Challenge, czyli najbardziej prestiżowe zawody robotyczne na świecie organizowane przez Mars Society. Aktualnie w sierpniu 2023 r. AGH Space Systems zdobyło 1 miejsce na zawodach Canadian International Rover Challenge 2023, a deklasując konkurencję.
Łazik Kalman ma wydrukowane w 3D podsystemy, wśród których są: chwytak posiadający kamery, czujniki odległości i wymienne szczęki umożliwiające złapanie nawet małego klucza imbusowego. W wyniku trwających dwa lata prac studentom udało się również opracować sześciostopniowy manipulator pozwalający na otrzymanie dowolnej orientacji chwytaka w przestrzeni. Do produkcji wykorzystano głównie technologię HP — Multi Jet Fusion 3D, w której wydrukowano szereg komponentów za pośrednictwem naszej platformy do produkcji addytywnej na zlecenie — AM3D.
Ośrodki naukowe i badawcze, takie jak AGH Space Systems, odgrywają ważną rolę w testowaniu innowacji – kilka dekad temu wynalazki, które były dostępne wyłącznie w środowisku astronautów, trafiły obecnie do życia codziennego. Dzięki zaangażowaniu młodych konstruktorów przemysł ma szanse skorzystać z ich wiedzy o nowych technologiach, które pomogły zoptymalizować robota i wygrać w jednym z najbardziej prestiżowych zawodów świata, a w przyszłości podbić kosmos.
