3D-печать и космическое пространство: инициатива от NASA
За последнее десятилетие 3D-печать стала очень популярным методом производства. Хотя некоторые люди всё ещё сомневаются в её потенциале, NASA — ведущая мировая организация в области исследования космоса — в восторге от этой технологии.
NASA не только использует уже существующие 3D-принтеры (например, на Марсе уже есть детали, созданные с их помощью), но и активно работает над тем, чтобы вывести аддитивное производство на новый уровень. Они финансируют исследования в этой области, а также применяют полученные знания на практике.
Марсоход NASA Perseverance, находящийся в настоящее время на Марсе, имеет 11 металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере
Хотя NASA уже продемонстрировало возможности использования аддитивного производства для создания деталей космических миссий, агентство не останавливается на достигнутом. NASA является одним из крупнейших спонсоров и самых активных сторонников 3D-печати, полностью доверяя этой технологии и веря в её способность упростить и удешевить космические миссии.
Организация постоянно стремится к расширению границ посредством экспериментов, исследований и разработок, а также путём финансирования сторонних проектов и инноваций. NASA обнаружило, что 3D-печать может предложить решение многих проблем, стоящих перед человечеством при полётах в дальний космос. Агентство доверяет этой технологии и постоянно стремится внедрить её там, где раньше не применялся ни один производственный метод.
Результаты демонстрируют зрелость и эффективность технологий 3D-печати в сложных приложениях. И действительно, если это достаточно хорошо для NASA, то 3D-печать определенно более чем достаточно для любых отраслей, основанных на земле.
Давайте взглянем на проекты, продукты и прогресс, происходящие в NASA, которые двигают вперед всю индустрию 3D-печати.
Содержание:
- Последняя работа NASA в области 3D-печати
- Оборудование для ракетных двигателей, созданное с использованием 3D-печати
- Исследовательский марсоход на Марсе
- Места обитания, напечатанные на 3D-принтере на Марсе
- 3D-печать человеческих тканей
- 3D-печать для строительства на Луне
- Струйная обработка биндера лунной пылью и другие исследования, финансируемые NASA
- 3D-печать в космосе прямо сейчас
Последняя работа NASA в области 3D-печати
Испытание ракетного двигателя, напечатанного на 3D-принтере NASA и Aerojet Rocketdyne
Оборудование для ракетных двигателей, созданное с использованием 3D-печати
В прошлом месяце NASA успешно протестировало детали ракетных двигателей, которые были разработаны в сотрудничестве с калифорнийским производителем аэрокосмической продукции Aerojet Rocketdyne. Компания использует методы аддитивного производства металлов для создания лёгких камер сгорания и форсунок.
Новые детали прошли испытания холодным распылением и горячим горением, и оба теста были успешно завершены. Во время испытаний в основной камере сгорания создавалось давление до 750 фунтов на квадратный дюйм (psi), а расчётная температура горячего газа приближалась к 3427 °C.
Aerojet Rocketdyne уже более 20 лет инвестирует в технологию аддитивного производства. По словам компании, эта технология значительно сокращает количество операций с сенсорным управлением, необходимых для создания многих компонентов двигателя. Благодаря этому компания может производить более доступные продукты.
«Компоненты, на изготовление которых с использованием традиционных технологий раньше уходили сотни часов, теперь можно изготовить всего за несколько дней на одном станке, — говорят в компании. — Это значительно сокращает время выполнения заказа и позволяет нам быстрее выводить нашу продукцию на рынок».
Марсоход Perseverance
Исследовательский марсоход на Марсе
Когда 18 февраля 2021 года марсоход Perseverance, также известный как Percy, приземлился на Марсе, он привёз с собой 11 металлических деталей, созданных с помощью 3D-печати.
Пять деталей, изготовленных из титана, образуют корпус прибора PIXL. Этот прибор предназначен для поиска признаков окаменевшей микробной жизни на Марсе. Остальные шесть деталей, выполненные из никелевого жаропрочного сплава, можно найти в теплообменниках модуля MOXIE, принадлежащего марсоходу. MOXIE способен создавать кислород путём нагрева марсианского воздуха. В будущем он может производить кислород в промышленных масштабах на Марсе.
Детали PIXL были напечатаны на 3D-принтере Carpenter Additive, что сделало прибор в три-четыре раза легче по сравнению с тем, каким он был бы с деталями, изготовленными традиционным способом. Каждый теплообменник MOXIE также был создан на 3D-принтере как единое целое. В случае использования теплообменников с традиционной механической обработкой их пришлось бы собирать из двух частей и сваривать вместе.
Рендеринг 3D-печати Marsha habitat на AI Space Factory
Места обитания, напечатанные на 3D-принтере на Марсе
В рамках программы NASA 2019 года The 3D Printed Habitat Challenge были продемонстрированы инновационные способы использования 3D-печати для создания среды обитания в рамках будущей миссии на Марс.
Победителем конкурса стала компания AI SpaceFactory, которая разработала метод 3D-печати многоэтажного здания на Марсе. При этом использовались базальтовое волокно, полученное из марсианских пород, и биопластик PLA, изготовленный из растений, выращенных на Марсе. Этот материал прочнее и долговечнее бетона в два-три раза и в пять раз соответственно.
«Мы создали эти технологии для космоса, но они могут изменить то, как мы строим на Земле», — говорит Дэвид Мэлотт, генеральный директор и основатель AI SpaceFactory. «Используя натуральные и биоразлагаемые материалы, полученные из сельскохозяйственных культур, мы могли бы уменьшить количество отходов строительной промышленности в виде нерастворяемого бетона и помочь восстановить нашу планету».
Фактически, компания применила технологию, разработанную для NASA, для создания домов с 3D-печатью, которые не только изготовлены из экологически чистых материалов, но и полностью пригодны для вторичной переработки.
Недавние исследования, финансируемые NASA, привели к созданию 3D-печатных человеческих тканей
3D-печать человеческих тканей
Недавно завершившийся проект NASA, известный как Vascular Tissue Challenge, также расширил границы 3D-печати. Хотя и в другом направлении.
Финалисты, занявшие первое и второе места, использовали 3D-печать для создания гелеобразных форм. Эти формы предназначены для выращивания кусочка ткани печени человека в виде куба, который мог бы оставаться внутри человеческого тела.
По данным NASA, технологии, применяемые для создания таких кусочков тканей, могут привести к улучшению фармацевтических исследований. А в долгосрочной перспективе — к созданию полностью напечатанных на 3D-принтере искусственных органов для трансплантации.
«Я не могу выразить, насколько это впечатляющее достижение», — говорит Джим Рейтер, заместитель администратора NASA по космическим технологиям. — «Будет необычно однажды услышать о первой пересадке искусственного органа и понять, что этот новый вызов NASA, возможно, сыграл свою небольшую роль в том, что это произошло».
Визуализация того, как могло бы выглядеть 3D-строительство на Луне
3D-печать для строительства на Луне
Осенью прошлого года компания Icon, специализирующаяся на производстве 3D-принтеров, объявила о получении финансирования от NASA для начала исследований и разработки космической строительной системы. Эта система, получившая название Project Olympus, может поддерживать будущую среду обитания на Луне.
Компания Icon, известная своими передовыми технологиями 3D-печати для строительства домов на Земле, сейчас работает над созданием полномасштабной системы аддитивного строительства, которая позволит возводить инфраструктуру на Луне.
«Инвестиции NASA в технологии космической эры не только помогут нам продвинуться в освоении космоса, но и могут решить реальные проблемы, с которыми мы сталкиваемся на Земле», — говорит Джейсон Баллард, соучредитель и генеральный директор компании Icon.
Интегрированная радиочастотная схема, напечатанная на 3D-принтере Nano Dimension, находится на Международной космической станции
3D-печатная радиочастотная (RF) схема, разработанная компанией Nano Dimension, специализирующейся на аддитивных технологиях, была доставлена на Международную космическую станцию (МКС) для исследования воздействия космоса.
Эта схема, созданная с помощью системы LDM DragonFly от Nano Dimension, будет передавать данные на МКС и обратно, предоставляя партнёрам по проекту возможность систематически анализировать радиочастотные свойства высокопроизводительных электронных устройств, созданных с помощью 3D-печати (Hi-PEDs), в суровых условиях космоса.
Nano Dimension сотрудничает с компанией L3Harris, занимающейся коммуникационными технологиями, в рамках двухлетнего проекта, цель которого — продемонстрировать эффективность использования новых технологий в космическом пространстве.
Струйная обработка биндера лунной пылью и другие исследования, финансируемые NASA
В Project Olympus Architecture фирма 3D-печати Icon привлекла двух отмеченных наградами партнеров по архитектуре для реализации проекта audacious: BIG-Bjarke Ingels Group и SEArch + или Space Exploration Architecture (Визуализация: SEArch +)
В мае 2021 года Управление космических технологий NASA (STMD) выделило 105 миллионов долларов финансирования для десятков малых предприятий США, включая 36 проектов, связанных с космической 3D-печатью.
Эти инновационные проекты включают в себя, среди прочего, партнерство физических наук с Массачусетским технологическим институтом в области 3D-печати расплавленной лунной пылью. Также были поддержаны проекты по созданию космических датчиков, напечатанных на 3D-принтере компании Nanovox, и систем тепловой защиты космических аппаратов, которые будут напечатаны на месте ведущими инженерными корпорациями. Все эти проекты направлены на решение сложных задач космической инженерии, и NASA полагает, что 3D-печать может стать решением.
Для технологий, поддерживаемых NASA, стало своего рода традицией находить повседневное применение на основных рынках. Нет оснований сомневаться, что то же самое произойдёт и с этими технологиями аддитивного производства. Получение одобрения от NASA может служить лишь доказательством зрелости 3D-печати и способствовать развитию отрасли.
3D-печать в космосе прямо сейчас
Один из 3D-принтеров Redwire, находящихся в настоящее время на МКС
3D-печать в космосе на МКС
3D-принтеры нашли своё место на Международной космической станции (МКС). Первый коммерческий пластиковый 3D-принтер Redwire был запущен на МКС в 2016 году с целью проверить, как он будет работать в условиях микрогравитации. С тех пор компания предоставляет услуги по изготовлению различных инструментов и запасных частей для МКС.
Дело в том, что у МКС очень ограниченные возможности в плане поставок, поэтому иногда приходится ждать неделями или даже месяцами, пока необходимые материалы доставят с Земли. По мере того как люди отправляются всё дальше в Солнечную систему, миссии по пополнению запасов будут становиться всё более дорогостоящими и сложными. Это заставляет NASA искать альтернативные способы снабжения космических кораблей.
«Возможность 3D-печатать детали и инструменты по запросу значительно сократит время доставки деталей на орбиту, повысит надёжность и безопасность космических миссий, а также снизит затраты», — говорит подразделение Redwire Made in Space, производитель всех 3D-принтеров на МКС.
Центр аддитивного производства (AMF), который находится на МКС, производит детали из ABS-пластика с использованием FDM-печати. В 2020 году MIS представила модуль Ceramic Manufacturing Module, который печатает предкерамические смолы с использованием SLA. Эта технология использовалась, например, для печати радиационной защиты для расширяемых модулей среды обитания МКС.
Девять напечатанных на 3D-принтере двигателей Резерфорда приводят в действие ракету Electron от Rocket Lab
Ракетные двигатели с 3D-печатью
В этом году аэрокосмическая компания Rocket Lab, расположенная в Калифорнии, планирует запустить спутник CubeSat на лунную орбиту по программе Artemis. Цель этой программы — отправить первую женщину на Луну к 2024 году.
Rocket Lab разработала первый в мире ракетный двигатель, созданный с помощью 3D-печати. Он называется Rutherford и печатается с использованием электронно-лучевого синтеза. Этот двигатель предназначен для собственной ракеты компании, которая будет доставлять спутники в космос.
На сегодняшний день Rocket Lab успешно запустила 104 спутника, включая поставку, спонсируемую NASA в 2018 году. В этом месяце компания объявила о получении контракта на разработку двух космических аппаратов Photon для миссии NASA ESCAPADE на Марс, которая запланирована на 2024 год. Это означает, что у Rocket Lab есть около двух лет на подготовку к миссии.
Основатель и генеральный директор Rocket Lab Питер Бек говорит: «Научные миссии по изучению планет традиционно обходились в сотни миллионов долларов и занимали до десяти лет. Наш космический аппарат Photon для миссии ESCAPADE продемонстрирует более экономичный подход к исследованию планет, который значительно расширит доступ научного сообщества к нашей Солнечной системе».
В сентябре 2019 года первый автономный инспекционный робот Seeker работал на грузовом космическом корабле Cygnus. Этот сверхдешёвый инспекционный аппарат основан на платформе CubeSat и содержит детали, созданные с помощью 3D-печати. Производственная фирма The Technology House из Огайо разработала и напечатала четыре двигателя для «Искателя» с использованием пластика, который смог соответствовать строгим стандартам NASA, вопреки ожиданиям агентства.
Relativity Space создает первую в мире ракету, напечатанную на 3D-принтере
Одним из самых известных подрядчиков NASA является компания Relativity Space. Она разработала первую ракету под названием Terran 1, которая была полностью напечатана на 3D-принтере. Затем компания создала её улучшенную версию — многоразовую ракету Terran R.
Производство ракет осуществляется на заводе Stargate, где компания Relativity Space использует крупнейший в мире металлический 3D-принтер. Этот принтер печатает из запатентованных металлических сплавов.
Relativity Space получила от NASA финансирование в размере 3 миллионов долларов для запуска спутников CubeSats. В 2020 году компания в партнёрстве с NASA и Lockheed Martin успешно запустила ракету Terran 1 с целью демонстрации технологии дозаправки на орбите.
Как NASA печатает 3D?
Когда дело касается использования 3D-принтеров, NASA действует в трёх основных направлениях
Во-первых, NASA занимается 3D-печатью на своих исследовательских мощностях. Одним из ключевых центров является Лаборатория реактивного движения (JPL) в Калифорнии, которая имеет собственный центр аддитивного производства. Кроме того, многие другие центры NASA также активно работают в этой области. Например, Центр космических полётов имени Маршалла (MSFC) в Алабаме также занимается 3D-печатью.
Во-вторых, помимо собственного производства деталей, NASA часто привлекает сторонние компании в качестве подрядчиков для 3D-печати. Мы уже упоминали Rocket Lab и TTH, но на самом деле существует множество других компаний и исследовательских групп, которые работают с NASA в этой области.
Наконец, NASA занимается 3D-печатью и в космосе. Как мы уже упоминали, с 2014 года на Международной космической станции (МКС) установлен 3D-принтер, который позволяет печатать запасные части прямо на месте.
Металлы и пластмассы, напечатанные на 3D-принтере NASA
Инжекторная головка, изготовленная методом аддитивного производства, как конструкция "все в одном" (справа) ракетного двигателя со 122 элементами впрыска, изготовлена из никелсплава EOS IN718
Когда речь заходит о запуске ракет, одним из самых важных факторов является вес. Чем меньше вес полезной нагрузки, которую нужно поднять с земли, тем меньше топлива требуется для запуска, а значит, он обходится дешевле. Фактически, снижение веса всего на один фунт полезной нагрузки может сократить расходы на запуск более чем на 10 000 долларов.
Неудивительно, что NASA выбирает материалы, которые позволяют создавать детали максимально лёгкими и прочными. Одним из таких материалов является титан, который обладает высокой прочностью, малым весом и превосходной коррозионной стойкостью.
Компания по аддитивному производству Sciaky из Чикаго, штат Иллинойс, в 2018 году заключила партнёрство с подрядчиком NASA Lockheed-Martin. Они представили свою технологию электронно-лучевого аддитивного производства (EBAM), которая позволяет печатать большие детали из титана. Например, компания Lockheed Martin напечатала на 3D-принтере 46-дюймовые спутниковые топливные баки. Баки соответствовали строгим требованиям NASA к весу и прочности и стали самыми крупными деталями, одобренными для космических запусков.
Иногда одного металлического материала недостаточно, и NASA приходится использовать как обычные, так и индивидуальные металлические сплавы. Например, производитель присадок EOS помог ArianeGroup разработать новую форсунку для ракетных двигателей на основе никелевого сплава IN718. Этот сплав обеспечивает высокую устойчивость к экстремальным температурам, возникающим во время запуска ракеты. Благодаря этому удалось значительно уменьшить толщину стенок детали, что снизило её вес. В результате новое сопло на 50% дешевле предыдущей детали. В 2020 году NASA заключило контракт с ArianeGroup на поставку компонентов двигательной установки для миссии Artemis moon, включая двигатели.
Aerojet Rocketdyne — ещё одна компания, поставляющая двигатели для программы Artemis, включая двигатель RL10. В 2017 году Aerojet разработала новую тяговую камеру для RL10, изготовленную с использованием добавок и напечатанную из медного сплава по технологии SLM. Руководитель программы аддитивного производства Aerojet Джефф Хейнс считает, что компания напечатала на 3D-принтере самую большую и успешно протестированную камеру тяги из медного сплава. Компания выбрала медный сплав из-за его превосходных свойств по теплопередаче, что позволило создать более компактный и лёгкий двигатель. Кроме того, новый двигатель можно печатать из двух частей, что сократило количество деталей на 90%.
Роботы Seeker представляют собой CubeSats или миниатюрные спутники, изготовленные из пластика с 3D-печатью
Однако дело не только в материале — иногда пластик может выполнять работу даже лучше, чем металл. Отличным примером этого являются двигатели производства TTH для роботов-ищеек, о которых мы уже говорили.
Компания TTH использовала 3D-принтер Carbon M2 в сочетании с цианатэфиром 221 (CE 221) для создания четырёх высокопроизводительных двигателей, которые вошли в состав двигательной установки на холодном газе роботов-ищеек для NASA. До этого момента NASA никогда не использовало пластиковые детали, напечатанные на 3D-принтере под давлением, в космосе. Фактически, агентство скептически относилось к тому, что неметаллические материалы смогут соответствовать его требованиям. Однако после тщательного тестирования и разработки дизайна материалов и деталей, они полностью соответствовали или даже превзошли все требования NASA.
Этот проект продемонстрировал пригодность пластиковых материалов для 3D-печати в космических полётах и открыл возможности для дальнейших исследований в области создания быстрых, недорогих и механически эффективных пластиковых деталей.
Как NASA разрабатывает дизайн для 3D-печати?
Проект NASA AI Space Factory "Вызов марсианской среде обитания"
Как мы уже говорили, все компоненты космических аппаратов, созданные с использованием передовых технологий, должны быть максимально эффективными, чтобы обеспечивать высокую функциональность, быстрое производство и экономию средств. С этой целью NASA применяет различные методы и технологии 3D-печати при проектировании.
Собственный Центр аддитивного производства NASA постоянно работает над разработкой новых подходов к созданию решётчатых структур, оптимизации топологии и дизайна для аддитивного производства (DfAM).
Создание металлических деталей, оптимизированных для снижения веса, крайне важно для сокращения огромных затрат на запуск транспортного средства. Однако такие оптимизированные конструкции в своей окончательной форме обычно напоминают пауков. Обработка подобной детали по стандартной форме часто приводит к потере 90% и более материала, необходимого для изготовления этой очень сложной и лёгкой детали. Таким образом, приходится экономить в одной области за счёт другой.
Возможность печатать такие топологически оптимизированные детали без потерь материала позволяет NASA достигать цели снижения массы без ущерба для отходов.
Это не значит, что NASA не использует помощь извне. В 2016 году Simulia Dassault Systemes (3DS) и Stratasys сотрудничали в исследовании по оптимизации топологии для NASA. Оптимизированным объектом была монтажная коробка.
Сотрудники создали 3D-модель оригинальной коробки и использовали программный пакет Tosca от 3DS для использования генеративного дизайна и поиска способов оптимизации топологии детали. Оптимизированная деталь отличалась органическими изогнутыми поверхностями и отверстиями, что позволило снизить расход материала при сохранении функциональности детали.
Stratasys Direct Manufacturing заключила партнерство с Лабораторией реактивного движения NASA для 3D-печати 30 опор антенной решетки
Компания Stratasys также внесла свой вклад в создание деталей, которые были отправлены в космос. Одной из таких деталей стала внешняя опорная оболочка для спутниковых антенных решёток.
При разработке этой детали компания учитывала как оптимальный дизайн, так и замену оригинального материала — astroquartz. В итоге для изготовления детали была выбрана смола ULTEM 9085.
Stratasys тесно сотрудничала с JPL NASA и использовала итеративный дизайн для обработки нескольких вариантов файла STL shell, прежде чем прийти к его окончательной форме. Результатом этого сотрудничества стали 30 антенных решёток, которые были поставлены NASA.
Также стоит упомянуть 3D-печатную оболочку PIXL, которая приземлилась на Марсе. История её происхождения — отличный пример процесса проектирования, который начинается в NASA и заканчивается сторонним участником.
NASA JPL создала первоначальный дизайн корпуса, который был полностью сосредоточен на функциональности. Затем NASA наняло Carpenter Additive для оптимизации детали для производства. Карпентер рассказывает, что оставаться в рамках массового бюджета NASA было непросто, но после множества экспериментов и нескольких вариантов дизайна внутренней решётчатой конструкции они создали дизайн, который был достаточно лёгким, пригодным для 3D-печати и имел оптимизированную структуру, способную выдержать суровые условия посадки на Марс.
Дизайн расширил пределы прочности тонкостенных панелей, но благодаря инновационному использованию решёток и выборочно утолщённых стенок оболочка PIXL теперь доступна на Красной планете.
Оставить комментарий