Nový potenciál 3D tisku: Mezihvězdná migrace a rozvoj vesmíru

Pomocí 3D počítačové technologie se aditivní výrobní technologie stavebních objektů vrstvou po vrstvě stále více stává v popředí výroby kosmických zařízení. Vědci se domnívají, že 3D tisk může výrazně urychlit vývoj mimozemského prostoru. Jak optimalizovat "prostorovou výrobu" 3D tiskáren a zlepšit bezpečnost tištěných součástí? Jak používat nové technologie k vytvoření ultralehkých optických systémů pro nanosatelity? Výzkumníci z ruských univerzit (členové projektu "5-100") představili svůj nejnovější vývoj.

Jednou z hlavních výhod nové metody je, že 3D tiskárna může nahradit velké množství zařízení v tradiční továrně. V listopadu 2020 časopis Forbes zařadil technologii aditivní výroby (z latinského additivus-add) na seznam pěti revolučních nových technologií hodných pozornosti podnikatelů. Autor článku poukázal na to, že technologie aditivní výroby přinese obrovské výhody leteckému průmyslu. V této oblasti je hmotnost výrobku obvykle nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím náklady na dopravu.

Prostor 3D tisk může výrazně urychlit vývoj mimozemského prostoru; technologie aditivní výroby také aktivně proniká do raketového výrobního průmyslu.

30. května 2020 byly helmy astronautů Roberta Bacona a Douga Hurleyho, kteří se podíleli na startu kosmické lodi Crew Dragon a rakety Falcon 9, přizpůsobeny pomocí technologie 3D tisku.

Elon Musk, šéf společnosti SpaceX Aerospace Corporation, řekl, že pomocí 3D tisku lze vyrábět odolné vysoce výkonné součásti motoru a vynaložený čas a peníze jsou jen malou částí používání tradičních výrobních metod. V roce 2014 již SpaceX vyrobila první 3D tištěnou komponentu.

Letecký podnik "Blue Origin" Jeff Bezos používá technologii aditivní výroby k tisku součástí motoru BE-4. Mladé raketové společnosti ze Spojených států (Relativistic Space) a Spojeného království (Obex) také plánují plně využít možností 3D tiskáren.

Zlepšete bezpečnost 3D součástí

Zároveň jsou pro bezpečnost vytvořeného zařízení životně důležité i ty nejmenší vady 3D tištěných součástí. Vědci z National Research University of Technology MISIS (NUST MISIS) byli schopni zlepšit technologii 3D tisku hliníku a zvýšit tvrdost výrobku o 1,5 krát.

Nust MISIS vědci se domnívají, že hlavním rizikem takových vad je vysoká pórovitost materiálu, jedním z důvodů jsou vlastnosti původního hliníkového prášku. Aby bylo zajištěno, že mikrostruktura tištěného výrobku je jednotná a hustá, vědci navrhli metodu přidávání uhlíkových nanovláken do hliníkového prášku, aby byla zajištěna nízká pórovitost materiálu a zvýšila jeho tvrdost 1,5krát. Výsledky výzkumu jsou publikovány v časopise "Composites Communications".

Profesor Alexander Gromov z NUST MISIS řekl: "Uhlíková nanovlákna mají vysokou tepelnou vodivost, což pomáhá minimalizovat teplotní gradient mezi tiskovými vrstvami během selektivní fáze laserového tavení během procesu syntézy produktu. Proto může být materiál Nehomogenita mikrostruktury téměř zcela eliminována."

Použitá uhlíková nanovlákna jsou doplňkovým produktem zpracování plynu souvisejícího s ropnými poli. Během procesu katalytického rozkladu se uhlík hromadí ve formě nanovláken na kovových částicích rozptýlených katalyzátorem. Vědci také poukázali na to, že související plyn je obvykle "odvětrával a spálil" v ropných a plynových polích, což poškozuje životní prostředí, takže použití této nové metody má významný význam ochrany životního prostředí.

Optimalizace "vesmírné výroby"

Elon Musk a další odborníci jsou přesvědčeni, že 3D tisk může pomoci budoucímu rozvoji vesmíru, jako je kolonizace Marsu.

Chcete-li přežít na Marsu, musíte být schopni začít vyrábět tam, a nejlepší využití místních materiálů. 3D tiskárnu lze použít k vybudování základny a vybudování živého prostředí.

Dokonce i nyní, v práci Mezinárodní vesmírné stanice (ISS), problém získávání materiálů je stále vážný a astronauti další nákladní kosmické lodi musí čekat několik měsíců. Někdy jsou důležité malé části poškozeny nebo ztraceny, například plastová zástrčka elektrického kontaktu je často ztracena. V tomto případě mohou 3D tiskárny tento problém vyřešit tiskem plastových výrobků v prostoru. V budoucnu budou během mezihvězdných letů problémy s dostupností naléhavější a poptávka po takových tiskárnách se nevyhnutelně zvýší.

V roce 2016 NASA pověřila Made in Space, aby na Mezinárodní vesmírné stanici nainstalovala stálou 3D tiskárnu, která bude vyrábět nástroje, vybavení a cokoli jiného, co by astronauti mohli potřebovat. Následně některé evropské, čínské a další společnosti také oznámily výrobu podobných strojů.

Výzkumník, který vyvinul 3D tiskárnu, vědec na Tomsk University of Technology (TPU), řekl, že 3D tiskárna vyrobená v Rusku vstoupí do vesmíru v roce 2021. Jeho výhodou je pokročilejší modulární systém, který dokáže realizovat modernizaci a údržbu zařízení. Proto, když 3D tiskové materiály přepínají z jednoduchých plastů na nástavby nebo kompozitní materiály, inženýři nebudou muset stavět nové tiskárny, jako jsou jejich američtí kolegové dnes, a pak je doručit na ISS.

Vasily Fedorov, vedoucí moderní výrobní techniky TPU vědy a výrobní laboratoře, řekl: "Nyní, pracovní uspořádání 3D tiskárny je v konečné fázi. Zařízení zaslané iss má přísnou odolnost vůči strojům, povětrnostním vlivům a jiným nákladům. Požadavek. Kromě toho, aby bylo zajištěno, že 3D tiskárna je naprosto bezpečné pro astronauty. To vše je pod kontrolou a byla provedena řada testů a inspekcí. Současně byl vylepšen software nastavený speciálně pro tiskárnu."

Vytvoření ultralehkých optických systémů pro nanosatelity

Možnost 3D tisku umožňuje vědcům na Univerzitě Samara vytvořit jedinečný ultralehký optický systém pro nanosatelity s difrakční optikou. Vědci říkají, že to bude první objektiv na světě s difrakční optikou pro vstup do vesmíru.

Jádrem optického systému je rovina difrakční čočka vyvinutá na univerzitě, která má jedinečné vlastnosti. Objektiv založený na tomto objektivu nahrazuje systém objektivu moderního objektivu s dlouhým dosahem a jeho vlastnosti jsou lehké (s optickými součástmi o hmotnosti nižší než 100 gramů) a malé velikosti.

Objektiv má inovativní bionický tvar shellu a je navržen s nejlepší technologií pro minimalizaci hmotnosti při zachování pevnostních vlastností. Komplexní vnější tvar a vnitřní struktura komponentů kosmické lodi jsou vytištěny 3D na selektivním laserovém fúzním zařízení SLM280HL.

Podle vědců, aby se co nejvíce snížila hmotnost složek, byla ve vnitřní struktuře provedena optimalizace topologie, v důsledku čehož byly přidány speciální voštinové bloky. Velikost dílu je 70×80×100 mm. Díky použití aditivní výrobní technologie je její hmotnost asi o 40% lehčí než podobné díly vyráběné tradičními metodami.

Vitalij Smailov, docent ve výuce a výzkumu Úřadu pro výrobu motorů technologie na Univerzitě Samara, řekl: "Objektiv shell je vyroben z AlSi10Mg hliníkové slitiny prášku. Slitina vyráběná v Rusku má vysokou pověst jak v Rusku, tak v zahraničí. V oblasti letectví a letectví je hlavním rysem hmotnost a průmysl se snaží tento ukazatel snížit."

Vědci provedli vícestupňovou topologickou optimalizaci původní struktury, získali a analyzovali několik forem.

Anton Agapovich, výzkumný pracovník na univerzitě v Samaře, řekl: "Spolupracovali jsme s odborníky v oblasti optimalizace topologie CADFEM CIS a technologie aditivní výroby a udělali jsme hodně práce, abychom získali nový typ struktury, která by vyhovovala potřebám světového leteckého průmyslu Moderní požadavky."

Podle vědců, podobné výrobky, jako je objektiv CubeSat Gecko Imager (Gecko Imager), náklady 23.000 eur, a cena optického systému, které vyvíjejí, bude mnohem nižší.

Plán "5-100" realizovaný v rámci národního projektu "vzdělávání" má za cíl pomoci ruským univerzitám zvýšit jejich vědecký výzkumný potenciál a zlepšit jejich konkurenční postavení na globálním trhu vzdělávacích služeb.