Nový potenciál 3D tlače: Medzihviezdna migrácia a rozvoj vesmíru

Pomocou 3D počítačovej technológie sa technológia výroby doplnkových látok stavebných objektov hromadením materiálov po vrstve čoraz viac stáva popredím výroby vesmírnych zariadení. Vedci sa domnievajú, že 3D tlač môže výrazne urýchliť rozvoj mimozemského priestoru. Ako optimalizovať "vesmírnu výrobu" 3D tlačiarní a zvýšiť bezpečnosť tlačených komponentov? Ako používať nové technológie na vytvorenie ultraľahkých optických systémov pre nanosateliity? Výskumníci z ruských univerzít (členovia projektu "5-100") predstavili svoj najnovší vývoj.

Jednou z hlavných výhod novej metódy je, že 3D tlačiareň môže nahradiť veľké množstvo zariadení v tradičnej továrni. V novembri 2020 časopis Forbes zaradil technológiu výroby prídavných látok (z latinského additivus-add) na zoznam piatich revolučných nových technológií hodných pozornosti podnikateľov. Autor článku poukázal na to, že technológia výroby prídavných látok prinesie obrovské výhody leteckému priemyslu. V tejto oblasti je hmotnosť výrobku zvyčajne najdôležitejším faktorom ovplyvňujúcim náklady na dopravu.

Priestor 3D tlač môže výrazne urýchliť rozvoj mimozemského priestoru; technológia výroby prídavných látok tiež aktívne preniká do raketového výrobného priemyslu.

30. mája 2020 boli prilby astronautov Roberta Bacona a Douga Hurleyho, ktorí sa podieľali na štarte kozmickej lode Crew Dragon a rakety Falcon 9, prispôsobené technológii 3D tlače.

Elon Musk, šéf SpaceX Aerospace Corporation, povedal, že pomocou 3D tlače sa môžu vyrábať odolné vysokovýkonné časti motorov a čas a vynaložené peniaze sú len malou časťou používania tradičných výrobných metód. V roku 2014 už SpaceX vyrobila prvý 3D tlačený komponent.

Letecká spoločnosť "Blue Origin" Jeff Bezos využíva technológiu výroby prídavných látok na tlač komponentov motora BE-4. Mladé raketové spoločnosti zo Spojených štátov (Relativistic Space) a Spojeného kráľovstva (Obex) tiež plánujú naplno využiť možnosti 3D tlačiarní.

Zvýšenie bezpečnosti 3D komponentov

Zároveň aj tie najmenšie chyby v 3D tlačených komponentoch sú životne dôležité pre bezpečnosť vytvoreného zariadenia. Vedci z National Research University of Technology MISIS (NUST MISIS) boli schopní zlepšiť technológiu 3D tlače hliníka a zvýšiť tvrdosť výrobku o 1,5 krát.

NUST MISIS výskumníci sa domnievajú, že hlavným rizikom takýchto chýb je vysoká pórovitosť materiálu, jedným z dôvodov je charakteristika pôvodného hliníkového prášku. Aby sa zabezpečilo, že mikroštruktúra tlačeného výrobku je jednotná a hustá, vedci navrhli metódu pridávania uhlíkových nanovlákien do hliníkového prášku, aby sa zabezpečila nízka pórovitosť materiálu a zvýšila sa jeho tvrdosť o 1,5-krát. Výsledky výskumu sú publikované v časopise "Composites Communications".

Profesor Alexander Gromov z NUST MISIS povedal: "Uhlíkové nanovlákna majú vysokú tepelnú vodivosť, čo pomáha minimalizovať teplotný gradient medzi vrstvami tlače počas fázy selektívneho laserového topenia počas procesu syntézy výrobku. Preto je možné materiál Inhomogeneity mikroštruktúry takmer úplne eliminovať."

Použité uhlíkové nanovlákna sú produktom spracovania plynu súvisiaceho s ropnými poľami. Počas procesu katalytického rozkladu sa uhlík hromadí vo forme nanovláknov na kovových časticiach rozptýlených katalyzátorom. Vedci tiež poukázali na to, že súvisiaci plyn je zvyčajne "vetraný a spálený" na ropných a plynových poliach, čo poškodzuje životné prostredie, takže použitie tejto novej metódy má významný význam pre ochranu životného prostredia.

Optimalizovať "Space Manufacturing"

Elon Musk a ďalší odborníci sú presvedčení, že 3D tlač môže pomôcť budúcemu vývoju vesmíru, ako je kolonizácia Marsu.

Ak chcete prežiť na Marse, musíte byť schopní začať výrobu tam, a najlepšie využiť miestne materiály. 3D tlačiareň môže byť použitá na vybudovanie základne a vybudovanie živého prostredia tam.

Aj teraz, v práci Medzinárodnej vesmírnej stanice (ISS), problém získavania materiálov je stále vážny a astronauti ďalšej nákladnej kozmickej lode musia počkať niekoľko mesiacov. Niekedy sú poškodené alebo stratené dôležité malé časti, napríklad plastová zástrčka elektrického kontaktu je často stratená. V tomto prípade môžu 3D tlačiarne vyriešiť tento problém tlačou plastových výrobkov do vesmíru. V budúcnosti sa počas medzihviezdnych letov budú otázky dostupnosti naliehavejšie a dopyt po takýchto tlačiarňach sa nevyhnutne zvýši.

V roku 2016 NASA zadá spoločnosti Made in Space inštaláciu stálej 3D tlačiarne na Medzinárodnú vesmírnu stanicu na výrobu nástrojov, vybavenia a všetkého, čo astronauti môžu potrebovať. Následne niektoré európske, čínske a iné spoločnosti tiež oznámili výrobu podobných strojov.

Výskumník, ktorý vyvinul 3D tlačiareň, vedec na Tomsk University of Technology (TPU), povedal, že 3D tlačiareň vyrobená v Rusku vstúpi do vesmíru v roku 2021. Jeho výhodou je pokročilejší modulárny systém, ktorý dokáže realizovať vylepšenia a údržbu zariadení. Preto, keď 3D tlačiarenské materiály prepnúť z jednoduchých plastov na nadstavby alebo kompozitné materiály, inžinieri nebudú musieť stavať nové tlačiarne, ako ich americkí kolegovia dnes a potom dodať na ISS.

Vasilij Fedorov, vedúci moderného výrobného technologického vedeckého a výrobného laboratória TPU, povedal: "Teraz je rozloženie práce 3D tlačiarne vo finálnej fáze. Zariadenie vyslané na ISS má prísnu odolnosť voči strojom, počasiu a ďalším nákladom. Požiadavka. Okrem toho, aby sa zabezpečilo, že 3D tlačiareň je úplne bezpečná pre astronautov. Teraz je toto všetko pod kontrolou a vykonala sa séria testov a inšpekcií. Zároveň bol vylepšený softvér nastavený špeciálne pre tlačiareň."

Vytvorenie ultraľahkých optických systémov pre nanosateliity

Možnosť 3D tlače umožňuje vedcom na Samarskej univerzite vytvoriť jedinečný ultrasvetlý optický systém pre nanosateliity s difúznou optikou. Výskumníci hovoria, že to bude prvý objektív na svete s difraktívnou optikou vstúpiť do vesmíru.

Jadrom optického systému je rovina difrakčné šošovky vyvinuté na univerzite, ktorá má jedinečné vlastnosti. Objektív založený na tomto objektíve nahrádza šošovkový systém moderného diaľkového objektívu a jeho charakteristiky sú ľahké (s optickými komponentmi vážiacimi menej ako 100 gramov) a malou veľkosťou.

Objektív má inovatívny bionický tvar shell a je navrhnutý s najlepšou technológiou, aby sa minimalizovala hmotnosť pri zachovaní pevnosti vlastnosti. Komplexný vonkajší tvar a vnútorná štruktúra komponentov kozmickej lode sú 3D vytlačené na selektívnom laserovom jadrovom zariadení SLM280HL.

Podľa vedcov sa s cieľom čo najviac znížiť hmotnosť zložiek uskutočnila topologická optimalizácia vo svojej vnútornej štruktúre, v dôsledku čoho boli pridané špeciálne voštinové bloky. Veľkosť časti je 70×80×100 mm. Vzhľadom na použitie technológie výroby doplnkových látok je jej hmotnosť približne o 40 % ľahšia ako podobné časti vyrábané tradičnými metódami.

Vitaly Smailov, docent vo výučbe a výskume Úradu pre výrobu motorov technológie na Samara University, povedal: "Šošovka shell je vyrobený z AlSi10Mg hliníkovej zliatiny prášku. Zliatina vyrábaná v Rusku má vysokú reputáciu v Rusku aj v zahraničí. V oblasti letectva a letectva , Hmotnosť je hlavným rysom, a priemysel sa snaží znížiť tento ukazovateľ."

Vedci vykonali viacstupňovú topologickú optimalizáciu pôvodnej štruktúry, získali a analyzovali niekoľko foriem.

Anton Agapovich, výskumník na Univerzite v Samare, povedal: "Spolupracovali sme s odborníkmi v oblasti topológie CADFEM CIS a technológie výroby prídavných látok a urobili sme veľa práce na získaní nového typu štruktúry, aby sme uspokojili potreby svetového leteckého a kozmického priemyslu Moderné požiadavky."

Podľa vedcov, podobné výrobky, ako je objektív CubeSat Gecko Imager (Gecko Imager), náklady 23.000 eur, a cena optického systému, ktoré vyvíjajú, bude oveľa nižšia.

Cieľom plánu "5-100" realizovaného v rámci národného projektu "vzdelávanie" je pomôcť ruským univerzitám zvýšiť ich potenciál vedeckého výskumu a zlepšiť ich konkurenčné postavenie na globálnom trhu vzdelávacích služieb.