Το νέο δυναμικό της τρισδιάστατης εκτύπωσης: Διαστημική μετανάστευση και ανάπτυξη του διαστήματος

Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία υπολογιστών 3D, η τεχνολογία κατασκευής πρόσθετων για την κατασκευή αντικειμένων με συσσώρευση υλικών από στρώμα προς στρώμα γίνεται όλο και πιο πρωτοπόρο στην κατασκευή διαστημικού εξοπλισμού. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να επιταχύνει σημαντικά την ανάπτυξη του εξωγήινου χώρου. Πώς να βελτιστοποιήσετε το&«Space GG»; τρισδιάστατων εκτυπωτών και βελτίωση της ασφάλειας των εκτυπωμένων εξαρτημάτων; Πώς να χρησιμοποιήσετε νέες τεχνολογίες για να δημιουργήσετε εξαιρετικά ελαφριά οπτικά συστήματα για νανοσωλήνες; Ερευνητές από ρωσικά πανεπιστήμια (μέλη του προγράμματος&«5-100 GG») παρουσίασαν τις τελευταίες τους εξελίξεις.

Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα της νέας μεθόδου είναι ότι ένας τρισδιάστατος εκτυπωτής μπορεί να αντικαταστήσει μεγάλο αριθμό εξοπλισμού σε ένα παραδοσιακό εργοστάσιο. Τον Νοέμβριο του 2020, το περιοδικό Forbes περιελάμβανε τεχνολογία κατασκευής πρόσθετων (από το Latin additivus-add) στη λίστα των πέντε επαναστατικών νέων τεχνολογιών που αξίζουν την προσοχή των επιχειρηματιών. Ο συγγραφέας του άρθρου επεσήμανε ότι η τεχνολογία κατασκευής πρόσθετων θα αποφέρει τεράστια οφέλη στην αεροδιαστημική βιομηχανία. Σε αυτόν τον τομέα, το βάρος του προϊόντος είναι συνήθως ο πιο σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το κόστος μεταφοράς.

Η εκτύπωση Space 3D μπορεί να επιταχύνει σημαντικά την ανάπτυξη του εξωγήινου χώρου. Η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων διεισδύει επίσης ενεργά στη βιομηχανία κατασκευής πυραύλων.

Στις 30 Μαΐου 2020, τα κράνη των αστροναυτών Robert Bacon και Doug Hurley που συμμετείχαν στην εκτόξευση του διαστημικού σκάφους Crew Dragon και του πυραύλου Falcon 9 προσαρμόστηκαν χρησιμοποιώντας τεχνολογία εκτύπωσης 3D.

Ο Elon Musk, επικεφαλής της SpaceX Aerospace Corporation, δήλωσε ότι με τη χρήση τρισδιάστατης εκτύπωσης, μπορούν να κατασκευαστούν ανθεκτικά εξαρτήματα κινητήρα υψηλής απόδοσης και ο χρόνος και τα χρήματα που δαπανώνται είναι μόνο ένα μικρό μέρος της χρήσης παραδοσιακών μεθόδων κατασκευής. Το 2014, η SpaceX είχε ήδη κατασκευάσει το πρώτο τρισδιάστατο τυπωμένο στοιχείο.

GG «Blue Origin GG»; Η αεροδιαστημική εταιρεία Jeff Bezos χρησιμοποιεί τεχνολογία κατασκευής πρόσθετων για την εκτύπωση εξαρτημάτων κινητήρα BE-4. Νέες εταιρείες πυραύλων από τις Ηνωμένες Πολιτείες (Relativistic Space) και το Ηνωμένο Βασίλειο (Obex) σχεδιάζουν επίσης να εκμεταλλευτούν πλήρως τις δυνατότητες των τρισδιάστατων εκτυπωτών.

Βελτιώστε την ασφάλεια τρισδιάστατων εξαρτημάτων

Ταυτόχρονα, ακόμη και τα μικρότερα ελαττώματα σε τρισδιάστατα τυπωμένα εξαρτήματα είναι ζωτικής σημασίας για την ασφάλεια του δημιουργημένου εξοπλισμού. Οι επιστήμονες στο Εθνικό Ερευνητικό Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας MISIS (NUST MISIS) κατάφεραν να βελτιώσουν την τεχνολογία 3D εκτύπωσης αλουμινίου και να αυξήσουν τη σκληρότητα του προϊόντος κατά 1,5 φορές.

Οι ερευνητές NUST MISIS πιστεύουν ότι ο κύριος κίνδυνος τέτοιων ελαττωμάτων είναι το υψηλό πορώδες του υλικού, ένας από τους λόγους είναι τα χαρακτηριστικά της αρχικής σκόνης αλουμινίου. Προκειμένου να διασφαλιστεί ότι η μικροδομή του τυπωμένου προϊόντος είναι ομοιόμορφη και πυκνή, οι επιστήμονες έχουν προτείνει μια μέθοδο προσθήκης νανοϊνών άνθρακα σε σκόνη αλουμινίου για να διασφαλιστεί χαμηλό πορώδες του υλικού και να αυξηθεί η σκληρότητά του κατά 1,5 φορές. Τα αποτελέσματα της έρευνας δημοσιεύονται στο&«Composites Communications GG». περιοδικό.

Ο καθηγητής Alexander Gromov της NUST MISIS δήλωσε:&«Οι νανοΐνες άνθρακα έχουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα, η οποία συμβάλλει στην ελαχιστοποίηση της διαβάθμισης θερμοκρασίας μεταξύ των στρωμάτων εκτύπωσης κατά το επιλεκτικό στάδιο τήξης λέιζερ κατά τη διαδικασία σύνθεσης του προϊόντος. Επομένως, το υλικό Η ανομοιογένεια της μικροδομής μπορεί να εξαλειφθεί σχεδόν πλήρως."

Οι νανοΐνες άνθρακα που χρησιμοποιούνται είναι υποπροϊόν της επεξεργασίας αερίου που σχετίζεται με την πετρελαιοπηγή. Κατά τη διαδικασία καταλυτικής αποσύνθεσης, ο άνθρακας συσσωρεύεται με τη μορφή νανοϊνών στα μεταλλικά σωματίδια που διασκορπίζονται από τον καταλύτη. Οι επιστήμονες επεσήμαναν επίσης ότι το σχετικό αέριο είναι συνήθως&"αεριζόμενο και καμένο GG" σε πεδία πετρελαίου και φυσικού αερίου, προκαλώντας βλάβες στο περιβάλλον, επομένως η χρήση αυτής της νέας μεθόδου έχει σημαντική σημασία για την προστασία του περιβάλλοντος.

Βελτιστοποίηση&«Space Guring Manufacturing»;

Ο Elon Musk και άλλοι ειδικοί είναι πεπεισμένοι ότι η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να βοηθήσει στη μελλοντική ανάπτυξη του διαστήματος, όπως ο αποικισμός του Άρη.

Για να επιβιώσετε στον Άρη, πρέπει να είστε σε θέση να ξεκινήσετε την παραγωγή εκεί και να χρησιμοποιήσετε καλύτερα τοπικά υλικά. Ο τρισδιάστατος εκτυπωτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να χτίσει μια βάση και να χτίσει ένα περιβάλλον διαβίωσης εκεί.

Ακόμα και τώρα, στο έργο του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού (ISS), το πρόβλημα της απόκτησης υλικών εξακολουθεί να είναι σοβαρό και οι αστροναύτες του επόμενου διαστημικού σκάφους φορτίου πρέπει να περιμένουν αρκετούς μήνες. Μερικές φορές σημαντικά μικρά κομμάτια έχουν υποστεί ζημιά ή χάνονται, για παράδειγμα, το πλαστικό πώμα της ηλεκτρικής επαφής συχνά χάνεται. Σε αυτήν την περίπτωση, οι εκτυπωτές 3D μπορούν να λύσουν αυτό το πρόβλημα εκτυπώνοντας πλαστικά προϊόντα στο χώρο. Στο μέλλον, κατά τη διάρκεια των διαστρικών πτήσεων, τα ζητήματα διαθεσιμότητας θα γίνουν πιο έντονα και η ζήτηση για τέτοιους εκτυπωτές αναπόφευκτα θα αυξηθεί.

Το 2016, η NASA ανέθεσε στο Made in Space να εγκαταστήσει έναν μόνιμο τρισδιάστατο εκτυπωτή στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό για να παράγει εργαλεία, εξοπλισμό και οτιδήποτε άλλο χρειαστούν οι αστροναύτες. Στη συνέχεια, ορισμένες ευρωπαϊκές, κινεζικές και άλλες εταιρείες ανακοίνωσαν επίσης την κατασκευή παρόμοιων μηχανημάτων.

Ο ερευνητής που ανέπτυξε τον τρισδιάστατο εκτυπωτή, επιστήμονας στο Tomsk University of Technology (TPU), δήλωσε ότι ο τρισδιάστατος εκτυπωτής που παράγεται στη Ρωσία θα εισέλθει στο διάστημα το 2021. Το πλεονέκτημά του είναι ένα πιο προηγμένο αρθρωτό σύστημα που μπορεί να πραγματοποιήσει αναβαθμίσεις και συντήρηση εξοπλισμού. Επομένως, όταν τα υλικά εκτύπωσης 3D αλλάζουν από απλά πλαστικά σε υπερκατασκευές ή σύνθετα υλικά, οι μηχανικοί δεν θα χρειαστεί να κατασκευάσουν νέους εκτυπωτές όπως οι Αμερικανοί συνάδελφοί τους σήμερα και στη συνέχεια να τους παραδώσουν στο ISS.

Ο Vasily Fedorov, επικεφαλής του εργαστηρίου επιστήμης και παραγωγής τεχνολογίας σύγχρονης παραγωγής της TPU&# 39, δήλωσε:&«Τώρα, η διάταξη εργασίας του εκτυπωτή 3D βρίσκεται στο τελικό στάδιο. Ο εξοπλισμός που αποστέλλεται στο ISS έχει αυστηρή αντίσταση σε μηχανήματα, καιρικές συνθήκες και άλλα φορτία. Απαίτηση. Επιπλέον, για να διασφαλιστεί ότι ο τρισδιάστατος εκτυπωτής είναι απολύτως ασφαλής για αστροναύτες. Τώρα, όλα αυτά βρίσκονται υπό επιθεώρηση και έχουν πραγματοποιηθεί μια σειρά δοκιμών και επιθεωρήσεων. Ταυτόχρονα, το λογισμικό που έχει ρυθμιστεί ειδικά για τον εκτυπωτή έχει βελτιωθεί."

Δημιουργήστε εξαιρετικά ελαφριά οπτικά συστήματα για νανοσωλήνες

Η δυνατότητα τρισδιάστατης εκτύπωσης επιτρέπει στους επιστήμονες του Πανεπιστημίου Samara να δημιουργήσουν ένα μοναδικό υπερ-ελαφρύ οπτικό σύστημα για νανο-δορυφόρους με περιθλαστικά οπτικά. Οι ερευνητές λένε ότι αυτός θα είναι ο πρώτος φακός του παγκόσμιου&# 39 με διαθλαστικά οπτικά που εισέρχονται στο διάστημα.

Ο πυρήνας του οπτικού συστήματος είναι ο αεροθάλαμος διαθλαστικός φακός που έχει αναπτυχθεί στο πανεπιστήμιο και έχει μοναδικά χαρακτηριστικά Ο φακός που βασίζεται σε αυτόν τον φακό αντικαθιστά το σύστημα φακών του σύγχρονου φακού μεγάλης εμβέλειας και τα χαρακτηριστικά του είναι ελαφρύ (με οπτικά εξαρτήματα που ζυγίζουν λιγότερο από 100 γραμμάρια) και μικρό μέγεθος.

Ο φακός έχει ένα πρωτοποριακό κέλυφος βιονικού σχήματος και έχει σχεδιαστεί με την καλύτερη τεχνολογία για την ελαχιστοποίηση του βάρους διατηρώντας ταυτόχρονα τα χαρακτηριστικά αντοχής. Το περίπλοκο εξωτερικό σχήμα και η εσωτερική δομή των εξαρτημάτων του διαστημικού σκάφους είναι 3D εκτυπωμένα στον εκλεκτικό εξοπλισμό σύντηξης λέιζερ SLM280HL.

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, προκειμένου να μειωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο το βάρος των συστατικών, έχει πραγματοποιηθεί βελτιστοποίηση τοπολογίας στην εσωτερική του δομή, ως αποτέλεσμα της προσθήκης ειδικών κυψελωτών μπλοκ. Το μέγεθος του εξαρτήματος είναι 70 × 80 × 100 mm. Λόγω της χρήσης της πρόσθετης τεχνολογίας κατασκευής, το βάρος του είναι περίπου 40% ελαφρύτερο από παρόμοια εξαρτήματα που κατασκευάζονται με παραδοσιακές μεθόδους.

Ο Vitaly Smailov, αναπληρωτής καθηγητής στο Γραφείο Διδασκαλίας και Έρευνας της Τεχνολογίας Παραγωγής Μηχανών στο Πανεπιστήμιο Samara, δήλωσε:&«Το κέλυφος του φακού είναι κατασκευασμένο από σκόνη κράματος αλουμινίου AlSi10Mg. Το κράμα που παράγεται στη Ρωσία έχει μεγάλη φήμη τόσο στη Ρωσία όσο και στο εξωτερικό. Στον τομέα της αεροδιαστημικής και της αεροπορίας, το Βάρος είναι το κύριο χαρακτηριστικό και η βιομηχανία προσπαθεί να μειώσει αυτόν τον δείκτη."

Οι επιστήμονες πραγματοποίησαν βελτιστοποίηση τοπολογίας πολλαπλών σταδίων της αρχικής δομής, έλαβαν και ανέλυσαν διάφορες μορφές.

Ο Anton Agapovich, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Σαμάρα, δήλωσε:&«Έχουμε συνεργαστεί με εμπειρογνώμονες στον τομέα της βελτιστοποίησης τοπολογίας CADFEM CIS και της τεχνολογίας κατασκευής προσθέτων και έχουμε κάνει πολλή δουλειά για να αποκτήσουμε έναν νέο τύπο δομής για να ανταποκριθούμε στο ανάγκες της παγκόσμιας αεροδιαστημικής βιομηχανίας Σύγχρονες απαιτήσεις."

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, παρόμοια προϊόντα, όπως ο φακός του CubeSat Gecko Imager (Gecko Imager), κόστισαν 23.000 ευρώ και η τιμή του οπτικού συστήματος που αναπτύσσουν θα είναι πολύ χαμηλότερη.

Το&"5-100 GG"; σχέδιο που υλοποιείται στο πλαίσιο της εθνικής&«εκπαίδευση GG»; Το έργο στοχεύει να βοηθήσει τα ρωσικά πανεπιστήμια να αυξήσουν το επιστημονικό ερευνητικό δυναμικό τους και να βελτιώσουν την ανταγωνιστική τους θέση στην παγκόσμια αγορά υπηρεσιών εκπαίδευσης.