Ad Astra: NASA i druk 3D

2 miesięcy temu

Narodowa Administracja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) nigdy nie pozwoliła, aby zaawansowana technologia poszła na marne, dlatego też zwiększyła wykorzystanie produkcji addytywnej (druku 3D) do tego stopnia, iż agencja ta posuwa się teraz do przodu z innowacyjnością jak nigdy dotąd. To, co zaczęło się od produkcji małych części do pojazdów, rozwinęło się w metody, które mogą pomóc umieścić człowieka na Marsie. Sprawdźmy, w jaki sposób NASA uczyniła perspektywę druku 3D w kosmosie bardziej realną niż kiedykolwiek wcześniej.

Drukowanie w przestrzeni kosmicznej

Jak można się spodziewać, druk 3D w przestrzeni kosmicznej jest trudniejszy niż na Ziemi. W związku z tym NASA musiała zacząć od zera, aby zrealizować swój cel, jakim było wykorzystanie produkcji addytywnej w warunkach zerowej próżni grawitacyjnej poza atmosferą ziemską.

NASA poradziła sobie z tym problemem stosując dwutorowe podejście oparte na dwóch najbardziej przydatnych w eksploracji kosmosu materiałach: plastiku i metalu.

Metale: EBF3

Wykorzystanie metali w produkcji addytywnej trwa od dziesięcioleci, ale NASA potrzebowała sposobu, aby robić to w próżni. Electron Beam Freeform Fabrication jest odpowiedzią na to pytanie.

W procesie, EBF3 jest bardzo podobne do lutowania: Metalowy drut jest podawany do komory, gdzie pistolet z wiązką elektronów topi drut zgodnie z zadanymi specyfikacjami. Innowacyjność procesu wykracza daleko poza ten prosty opis.

Jeśli chodzi o materiały, EBF3 zademonstrowało produkcję z wykorzystaniem szerokiej gamy metali, w tym czystego aluminium (Al), czystego tytanu (Ti), stopów tytanu i aluminium oraz Inconelu 718. Co więcej, w procesie można wykorzystać dowolny stop spawalny – z wyjątkiem magnetycznych stopów żelaznych (na bazie żelaza). Do głównych kandydatów do przyszłego wykorzystania należą miedź, niob, złoto, srebro i platyna.

Po stronie procesu, EBF3 jest pierwszą metodą druku 3D, która nie jest już ograniczona do lokalizacji i wielkości danej objętości. Dzieje się tak dlatego, iż EBF3 został zaprojektowany tak, aby mógł być prowadzony w próżni. Jest to drobne rozróżnienie, ale takie, które zrobiło światową różnicę. Ziemski EBF3 musi najpierw wywołać próżnię w zamkniętym aluminiowym pojemniku, zanim proces może się rozpocząć. Z drugiej strony, kosmiczny EBF3 jest wolny od tego ograniczenia – w końcu przestrzeń kosmiczna to jedna wielka próżnia. Proces może być przeprowadzony dosłownie wszędzie.

Co więcej, EBF3 może wykorzystywać dwa lub więcej przewodów podczas procesu budowy. Oznacza to, iż można wytwarzać i wykorzystywać części wielomateriałowe, w tym części oparte na stopach lub części warstwowe o lepszych adekwatnościach powierzchniowych.

Tworzywa sztuczne: ABS i Made In Space

Drukowanie 3D z tworzyw sztucznych nie jest niczym nowym, ale wyzwanie polega na tym, aby proces ten działał w środowisku 0g. NASA zatrudniła Made In Space do opracowania drukarki 0g do użytku na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Made In Space rozpoczęło od przetestowania dostępnych drukarek 3D w lotach parabolicznych symulujących mikrograwitację. Inżynierowie odkryli szereg problemów, które należało naprawić. Wykorzystując tę wiedzę, zbudowali swój model od podstaw specjalnie do działania w zamkniętym obiegu, w środowisku zerowej grawitacji ISS.

Obecna wersja drukarki – trafnie nazwana Zero-G Printer – jest kontrolowana przez zespół kontroli naziemnej, który może zasadniczo wysłać plany do komputera pokładowego, a następnie obsługiwać maszynę i nadzorować proces zdalnie.

Drukarka wykorzystuje w tej chwili tworzywo sztuczne akrylonitryl-butadien-styren (ABS), które jest przechowywane jako szpula stałego włókna. Podczas procesu wytłaczania tworzywo staje się bardzo miękkie – ale nigdy płynne – i jest składane w zastrzeżonym procesie podobnym do modelowania z zastosowaniem FDM. Filament ABS bardzo gwałtownie ulega degradacji w próżni kosmicznej, więc części będą musiały być oddane do użytku wewnątrz stacji kosmicznej. Made In Space obiecało jednak, iż druga, większa drukarka będzie mogła wykorzystywać wiele materiałów – być może choćby metale – z których część będzie mogła być używana w trudnych warunkach poza ochronną powłoką ISS.

Jak to ujęła Niki Werkheiser, kierownik projektu In-space Manufacturing w Marshall Space Flight Center NASA: “Zdolność do wytwarzania tego, czego potrzebujesz, kiedy tego potrzebujesz, gdziekolwiek jesteś ma większe implikacje niż możemy sobie dzisiaj choćby wyobrazić. Drukarki 3D pozwoliłyby na stworzenie “warsztatu” na żądanie, który uczyniłby długoterminowe misje kosmiczne bardziej wykonalnymi. Wyobraź sobie, iż lecisz na Marsa i zamiast zabierać ze sobą 200 000 części zamiennych, bierzesz tylko drukarkę i kilkaset funtów materiału.”

Jednak podróże międzyplanetarne (i międzygwiezdne) wiążą się z ryzykiem wyczerpania się surowców wykorzystywanych w druku 3D. Made In Space opracowuje również recykler materiałów, aby wyprodukowane części mogły być przetopione, a materiał ponownie wykorzystany, a nie wyrzucony w przestrzeń kosmiczną.

Druk 3D zapoczątkował nowy, odważny świat możliwości produkcyjnych. W miarę rozwoju i udoskonalania technologii, druk 3D będzie bez wątpienia coraz częściej wykorzystywany, gdy ludzie będą coraz dalej sięgać do gwiazd.