Det nye potentiale for 3D-print: Interstellare migration og udvikling af rummet

Ved hjælp af 3D-computerteknologi bliver additiv fremstillingsteknologien til fremstilling af objekter efter lag-for-lag-ophobning af materialer i stigende grad forkant med fremstilling af rumudstyr. Forskere mener, at 3D-print kan fremskynde udviklingen af udenjordisk rum. Hvordan man kan optimere "rumproduktion" af 3D-printere og forbedre sikkerheden af trykte komponenter? Hvordan man bruger nye teknologier til at skabe ultra-lette optiske systemer til nanosatellitter? Forskere fra russiske universiteter (medlemmer af "5-100" projektet) introducerede deres seneste udvikling.

En af de største fordele ved den nye metode er, at en 3D-printer kan erstatte et stort antal udstyr på en traditionel fabrik. I november 2020 inkluderede Forbes magazine additiv fremstillingsteknologi (fra det latinske additivus-add) på listen over fem revolutionerende nye teknologier, der fortjener iværksætteres opmærksomhed. Forfatteren af artiklen påpegede, at additiv fremstillingsteknologi vil medføre enorme fordele for luft- og rumfartsindustrien. I dette felt er produktvægt normalt den vigtigste faktor, der påvirker transportomkostningerne.

Space 3D-udskrivning kan i væsentlig grad fremskynde udviklingen af udenjordisk plads; additiv fremstillingsteknologi er også aktivt trænge ind i raket fremstillingsindustrien.

Maj 30, 2020, hjelme af astronauter Robert Bacon og Doug Hurley, der deltog i lanceringen af Crew Dragon rumfartøj og Falcon 9 raket blev skræddersyet ved hjælp af 3D-print teknologi.

Elon Musk, leder af SpaceX Aerospace Corporation, sagde, at ved hjælp af 3D-print, holdbare højtydende motordele kan fremstilles, og den tid og de penge, der bruges, er kun en lille del af at bruge traditionelle fremstillingsmetoder. I 2014 havde SpaceX allerede fremstillet den første 3D-printede komponent.

"Blue Origin" aerospace selskab Jeff Bezos bruger additiv fremstillingsteknologi til at udskrive BE-4 motorkomponenter. Unge raketselskaber fra USA (Relativistic Space) og Det Forenede Kongerige (Obex) planlægger også at drage fuld fordel af mulighederne for 3D-printere.

Forbedre sikkerheden for 3D-komponenter

Samtidig er selv de mindste fejl i 3D-printede komponenter afgørende for sikkerheden af det skabte udstyr. Forskere ved National Research University of Technology MISIS (NUST MISIS) var i stand til at forbedre 3D-printteknologi af aluminium og øge hårdheden af produktet med 1,5 gange.

NUST MISIS forskere mener, at den største risiko for sådanne fejl er den høje porøsitet af materialet, en af grundene er egenskaberne ved den oprindelige aluminium pulver. For at sikre, at mikrostrukturen af det trykte produkt er ensartet og tæt, har forskerne foreslået en metode til at tilføje kulstof nanofibers til aluminium pulver for at sikre lav porøsitet af materialet og øge dets hårdhed med 1,5 gange. Forskningsresultaterne offentliggøres i magasinet "Composites Communications".

Professor Alexander Gromov fra NUST MISIS sagde: "Carbon nanofibers har høj varmeledningsevne, hvilket hjælper med at minimere temperaturgradienten mellem tryklagene under den selektive lasersmeltening under produktsynteseprocessen. Derfor kan materialet Mikrostrukturens inhomogenitet kan næsten helt elimineres."

De anvendte kulstofnanofibers er et produkt af forarbejdning af oliefelt tilknyttet gas. Under sin katalytiske nedbrydningsproces ophobes kulstof i form af nanofibers på metalpartiklerne, der spredes af katalysatoren. Forskere påpegede også, at den tilhørende gas er normalt "udluftet og brændt" i olie-og gasfelter, der forårsager skade på miljøet, så brugen af denne nye metode har stor miljøbeskyttelse betydning.

Optimer "Rumproduktion"

Elon Musk og andre eksperter er overbeviste om, at 3D-print kan hjælpe fremtidige rumudvikling, såsom kolonisering Mars.

For at overleve på Mars, skal du være i stand til at starte produktionen der, og bedst bruge lokale materialer. 3D-printeren kan bruges til at bygge en base og opbygge et levende miljø der.

Selv nu, i arbejdet i Den Internationale Rumstation (ISS), problemet med at skaffe materialer er stadig alvorligt, og astronauterne i den næste last rumfartøj nødt til at vente flere måneder. Nogle gange er vigtige små dele beskadiget eller tabt, for eksempel, plaststikket af den elektriske kontakt er ofte tabt. I dette tilfælde kan 3D-printere løse dette problem ved at udskrive plastprodukter i rummet. I fremtiden vil tilgængelighedsproblemerne i forbindelse med interstellare flyvninger blive mere akutte, og efterspørgslen efter sådanne trykkerier vil uundgåeligt stige.

I 2016 bestilte NASA Made in Space til at installere en permanent 3D-printer på den internationale rumstation for at producere værktøj, udstyr og alt andet, som astronauter måtte have brug for. Efterfølgende annoncerede nogle europæiske, kinesiske og andre virksomheder også fremstilling af lignende maskiner.

Forskeren, der udviklede 3D-printeren, en videnskabsmand ved Tomsk University of Technology (TPU), sagde, at 3D-printer produceret i Rusland vil komme i rummet i 2021. Dens fordel er en mere avanceret modulsystem, der kan realisere udstyr opgraderinger og vedligeholdelse. Når 3D-printmaterialer skifter fra simpel plast til overbygninger eller kompositmaterialer, behøver ingeniører derfor ikke at bygge nye printere som deres amerikanske kolleger i dag og derefter levere dem til ISS.

Vasily Fedorov, leder af TPU's moderne produktionsteknologi videnskab og produktion laboratorium, sagde: "Nu er arbejdet layout af 3D-printer er i den afsluttende fase. Det udstyr, der sendes til ISS, har streng modstandsdygtighed over for maskiner, vejr og andre belastninger. Krav. Hertil kommer, at sikre, at 3D-printeren er helt sikkert for astronauter. Alt dette er under inspektion, og der er gennemført en række test og inspektioner. Samtidig er den software, der er konfigureret specielt til printeren, blevet forbedret."

Opret ultralette optiske systemer til nanosatellitter

Muligheden for 3D-print giver forskere på Samara University mulighed for at skabe et unikt ultralet optisk system til nanosatellitter med diffraktiv optik. Forskere siger, at dette vil være verdens første linse med diffractive optik at komme ind i rummet.

Kernen i det optiske system er flyet diffractive linse udviklet i universitetet, som har unikke egenskaber. Linsen baseret på denne linse erstatter linsen system af den moderne langtrækkende linse, og dens egenskaber er lette vægt (med optiske komponenter vejer mindre end 100 gram) og lille størrelse.

Linsen har en innovativ bionisk form shell og er designet med den bedste teknologi til at minimere vægten og samtidig opretholde styrke egenskaber. Den komplekse ydre form og interne struktur af rumfartøjet komponenter er 3D trykt på SLM280HL selektiv laser fusion udstyr.

Ifølge forskerne, for at reducere vægten af komponenterne så meget som muligt, topologi optimering er blevet udført i sin interne struktur, som et resultat af hvilke særlige honeycomb blokke er blevet tilføjet. Størrelsen af den del er 70×80×100 mm. På grund af brugen af additiv fremstillingsteknologi, dens vægt er omkring 40% lettere end lignende dele fremstillet af traditionelle metoder.

Vitaly Smailov, en lektor i Undervisning og Forskning Office of Engine Production Technology ved Samara University, sagde: "Linsen skallen er lavet af AlSi10Mg aluminiumslegering pulver. Legeringen produceret i Rusland har et godt ry både i Rusland og i udlandet. Inden for luftfart og luftfart er Vægt det vigtigste træk, og industrien har forsøgt at reducere denne indikator."

Forskere udførte flertrins topologi optimering af den oprindelige struktur, opnået og analyseret flere former.

Anton Agapovich, en forsker ved University of Samara, sagde: "Vi har samarbejdet med eksperter inden for CADFEM CIS topologi optimering og additiv fremstillingsteknologi og har gjort en masse arbejde for at opnå en ny type struktur til at opfylde behovene i verden luft-og rumfartsindustrien Moderne krav."

Ifølge forskere, lignende produkter, såsom linsen af CubeSat Gecko Imager (Gecko Imager), koste 23.000 euro, og prisen på det optiske system, de er ved at udvikle vil være meget lavere.

"5-100"-planen, der gennemføres inden for rammerne af det nationale "uddannelsesprojekt", har til formål at hjælpe russiske universiteter med at øge deres videnskabelige forskningspotentiale og forbedre deres konkurrencemæssige position på det globale marked for uddannelsesprogrammer.