Historia 3D-tulostuksen käytöstä ja vaikutuksista uusissa avaruusyrityksissä

3D-tulostuksen edut on dokumentoitu hyvin. Teknologian ansiosta tuotteet voidaan luoda siellä missä niitä tarvitaan. Se auttaa ratkaisemaan tehokkuusongelmia ja saa toimitusketjut etenemään sujuvasti. Tällä voi olla valtava vaikutus tuotteiden valmistukseen tarvittavien resurssien ja ajan vähentämiseen.

Rakettiyritykset ovat käyttäneet 3D-tulostusta, joka tunnetaan muodollisesti lisäainevalmistuksena, suurimman osan viime vuosikymmenestä alkaen SpaceX:n vuonna 2013 kehittämästä 3D-tulostetusta osasta. SuperDraco rakettimoottori.

Tämä artikkeli seuraa 3D-tulostuksen käytön historiaa uusissa avaruusyrityksissä. Artikkelin loppupuolella tarkastelemme myös toista näiden yritysten käyttämää edistynyttä valmistustekniikkaa: korkeapainevalua.

3D-tulostuksen määrittely

Aloitetaan muistutuksella siitä, mitä 3D-tulostustekniikka sisältää. Ei ole parempaa paikkaa etsiä 3D-tulostuksen määritelmää kuin 3D-tulostuksen mestari Autodesk.

Autodesk määrittelee 3D-tulostus on "prosessi, jossa fyysisiä esineitä luodaan kerrostelemalla materiaaleja digitaaliseen malliin". Sama lähde lisää, että "3D-tulostusteknologialla voidaan luoda kaikkea prototyypeistä ja yksinkertaisista osista erittäin teknisiin lopputuotteisiin, kuten lentokoneiden osiin …, ympäristöystävällisiin rakennuksiin, hengenpelastusisiin lääketieteellisiin implantteihin ja jopa keinotekoisiin elimiin käyttämällä ihmissolukerroksia."

Autodesk tunnistaa kolme ensisijaista menetelmää käytetään valmistettaessa kohteita 3D:llä:

Sulattujen filamenttien valmistus (FFF): Pääasiassa kuluttajatuotteiden valmistuksessa tämä menetelmä lämmittää ja puristaa muovimateriaalia kerroksittain, jotka muodostavat tarvittavan tuotteen. Sitä kutsutaan myös sulatekerrostumismallinnus (FDM).

Stereolitografia (SLA): Käyttää UV-valoa kovettamaan tai kovettamaan kohotuksia kerroksittain.

Selektiivinen lasersintraus (SLS): Sulattaa jauhemaiset materiaalit laserilla, kerros kerrokselta.

Miksi avaruusvalmistajat siirtyvät 3D-tulostukseen

Additiivisen valmistuksen ohjelmistotoimittaja AMFG tarjoaa näkemyksiä 3D-tuotannon vaikutuksista avaruusmatkailun alalla. Yritys muistiinpanoja että "avaruusalusten valmistajat kohtaavat haasteen nopeuttaa rakettien kehitystä ja tuotantoa samalla kun alentaa kustannuksia ja lisätä tehokkuutta."

AMFG sanoo että perinteinen raketin valmistusprosessi sisältää useita prototyyppien valmistussyklejä ja tuotantovaiheita, mikä tekee prosessista kallista ja aikaa vievää. Sama lähde kertoo, että 3D-valmistusprosessi voi lyhentää osien valmistusaikaa perinteisestä 14 viikon jaksosta vain muutamaan viikkoon, mikä antaa valmistajille merkittäviä säästöjä ajassa ja kustannuksissa.

3D-valmistus varmistaa myös osien tarkkuuden, mikä on haastava tehtävä perinteisiä valmistusmenetelmiä käytettäessä.

Ensimmäinen 3D-tulostettu osa avaruudessa

Elon Musk perusti SpaceX:n vuonna 2002. Hänen tehtävänsä oli alentaa avaruuteen matkustamisen kustannuksia, jotta ihmiset voisivat lopulta asuttaa Marsin. mukaan SpaceX:lle tämä saavutettaisiin käyttämällä "täysin uudelleenkäytettäviä kantoraketteja, jotka ovat tehokkaimpia koskaan rakennettuja ja pystyvät kuljettamaan ihmisiä Marsiin ja muihin aurinkokunnan kohteisiin".

5. syyskuuta 2013, Musk ilmoitti twiitillä, että "SpaceX SuperDraco inconel rakettikammio w regen -jäähdytysvaippa tulee esiin EOS 3D -metallitulostimesta."

Avaruustutkimuksen, innovaation ja tähtitieteen uutisten lähde, Space.com raportteja että "SpaceX lähetti ensimmäisen 3D-tulostuksensa avaruuteen tämän vuoden alussa [2014]." Sama lähde lisää, että "Osa, rakettimoottorin päähapetusventtiili, lensi SpaceX:n 6. tammikuuta Falcon 9 -raketin laukaisussa, joka kuljetti kaupallisen Thaicom 6 -televiestintäsatelliitin kiertoradalle."

3D-tulostuksen käytön käytännöllisyys raketin osien valmistuksessa vahvistettiin sillä, että venttiili toimi vaaditulla tavalla rasittavissa olosuhteissa, myös erittäin alhaisissa lämpötiloissa.

SpaceX käyttää myös 3D-tulostustekniikkaa muiden tarvikkeiden, kuten kypärien, valmistukseen. mukaan 3Dnatives.comille: "Jokaisessa kypärässä on visiiri, venttiilit, lukot ja mikrofonit."

Blue Origin: Merkittäviä investointeja 3D-tulostukseen 

Blue Origin on Amazonin perustajan Jeff Bezosin perustama ilmailualan valmistaja. Yritys perustettiin vuonna 2000 Kentissä, Washingtonissa. "Olemme sitoutuneet rakentamaan tien avaruuteen, jotta lapsemme voivat rakentaa tulevaisuutta", sanoo yhtiön tehtävänkuvaus.

Blue Origin myös sanoo että se täyttää tehtävänsä kehittämällä "osittain ja täysin uudelleenkäytettäviä kantoraketteja, jotka ovat turvallisia, edullisia ja palvelevat kaikkien siviili-, kaupallisten ja puolustusasiakkaiden tarpeita".

3D-tulostustekniikka on tärkeä osa sitä, että Blue Originin edullisista ja turvallisista avaruusmatkatuotteista tulee normeja. 3DPrintingIndustry.com lainaa Blue Originin presidenttiä Rob Meyersonia, joka sanoo että hänen yrityksensä "on tehnyt merkittävän investoinnin 3D-tulostukseen". Hän lisää: "Olemme kaikki mukana uusien teknologioiden käyttöönotossa ja mahdollisuuksien täysimääräisessä hyödyntämisessä."

myös 3DPrintingIndustry.com raportteja että Meyerson esitteli esityksessään 3D-tulostuksen tuomia aikaa ja kustannuksia säästäviä etuja perinteisiin valumenetelmiin verrattuna. Meyerson esittelee esityksessä osaa, jonka tekeminen 3D-tulostuksella kesti kolme kuukautta. Sama osa kestää yli 12 kuukautta perinteisillä valumenetelmillä.

3D-tulostusmoottori, joka vie ensimmäisen naisen Kuun pinnalle

Joulukuussa 2020 3Dprint.com raportoi, että "Blue Origin on luonut kolmivaiheisen laskeutujan, joka voisi viedä ensimmäisen naisen ja seuraavan miehen Kuun pinnalle vuoteen 2024 mennessä."

Jännittävä osa on, että Kuun laskeutumisjärjestelmää käyttävä BE-7-moottori valmistettiin 3D-tekniikalla. Tämän vahvistaa Bezos, joka sanooBE-7 on korkean suorituskyvyn, lisäaineilla valmistettu nestemäinen vety/nestemäinen happi Kuuhun laskeutuva moottori, jonka työntövoima on 10 000 lbf – syvä kuristus 2 000 lbf:iin tarkkaa Kuuhun laskeutumista varten.

Mutta siinä ei vielä kaikki. Bezos käytti an Instagram video ilmoittaa, että "Tämä on moottori, joka vie ensimmäisen naisen Kuun pinnalle." Washington Postin mukaan tuo nainen oli Wally Funk, joka menetti mahdollisuuden päästä avaruuteen vuonna 1961. koska "NASA:lla ei ollut ohjelmaa naisastronauteille."

Funk ei ehkä ole laskeutunut Kuun pinnalle, mutta hän sai lopulta mahdollisuuden matkustaa avaruuteen 20. heinäkuuta 2021. Hän oli 82-vuotias. Funk oli yksi kolmesta matkustajasta, jotka matkustivat Bezosin kanssa Blue Originissa dubattu sen "ensimmäinen ihmislento".

Täysin 3D-tulostetun raketin laukaisu kiertoradalle

Relativity Space on vuonna 2015 perustettu avaruusyritys, joka on ilmoittanut tavoite olla "ensimmäinen avaruusyritys, joka on onnistuneesti laukaista täysin 3D-painetun raketin kiertoradalle".

Mutta mitä "täysin 3D-painettu raketti" tarkoittaa todellisuudessa. Denrie Perezillä, joka kirjoittaa Engineering.com-sivustolle, on vastaus: "Moottoreista runkoon Relativity automatisoi melkein koko valmistusprosessin."

Perez lisää että 3D-tulostus on antanut suhteellisuusteorialle mahdollisuuden muokata mallejaan nopeasti. Hän huomauttaa, että voittaakseen kilpailijat, kuten SpaceX, yritys myy mukautuksia. "3D-tulostuksen käyttö antaisi yritykselle mahdollisuuden muokata kapseleita toistuvasti sopimaan kaikenlaisiin satelliitteihin", hän kirjoittaa.

Forbes.com lainaa suhteellisuusteorian toimitusjohtaja Tim Ellis, joka sanoo että "3D-tulostuksen avulla pystymme valmistamaan raketteja nopeammin, pienemmällä ja kevyemmällä tehtaalla ja vähemmän prosesseja."

8. kesäkuuta 2021 Alex Knapp Forbes.comista raportoitu että suhteellisuusteoria oli kerännyt $650 miljoonaa E-sarjan hankekierroksella. Hän raportoi, että "pääoma on suunnattu nopeuttamaan yhtiön Terran R -raketin kehitystä, joka on täysin 3D-tulostettu ja pystyy laukaisemaan suurempia hyötykuormia kuin Elon Muskin Falcon 9 -raketti."

Muut 3D-tulostusta käyttävät avaruusyritykset

Kun otetaan huomioon 3D-tulostuksen edut avaruusalalla, ei ole yllättävää, että jokainen vakava avaruusyritys näyttää tekevän jotain osien valmistukseen teknologian avulla.

Michael Petch, joka kirjoittaa 3DPrintingIndustry.com-sivustolle, raportoi, että Virgin Galacticin presidentti ja toimitusjohtaja George Whitesides oli tiedotettu haastattelussa, että yrityksen "tavoitteena on lyhentää moottoreiden valmistukseen kuluvaa aikaa useista kuukausista lopulta viikkoihin." Petch ilmoitti, että 3D:llä olisi merkittävä rooli tämän tavoitteen saavuttamisessa.

Rocket Lab on avaruusmatkailuyritys kuvattu MIT Technology Review "pienenä yrityksenä, joka käynnisti 3D-tulostetun avaruuden vallankumouksen". Peter Beck perusti yrityksen vuonna 2006.

MIT:n teknologiakatsaus raportteja "Kuusi [Rocket Labin] raketeista on laukaissut onnistuneesti tähän mennessä – jokainen on varustettu yhdeksällä Rutherford-moottorilla, jotka on luotu pääasiassa metallista 3D-tulostusta käyttäen, samoin kuin monet muut aluksella olevat elementit."

Onko tilaa muille menetelmille?

Vaikka uudet avaruusyritykset etenevät 3D-teknologioiden avulla, näyttää siltä, että muilla iät ja ajat käyttäneillä menetelmillä on alalla vielä tilaa.

Esimerkki tekniikasta, jota on käytetty useita vuosia, mutta joka on edelleen ajankohtainen muovi ruiskuvalu.

Todiste siitä, että näillä menetelmillä on edelleen tulevaisuutta, on nähtävissä äskettäisessä SpaceX:n työpaikassa, joka osoittaa, että yritys palkkaa asiaankuuluviin teknologioihin perehtyneitä insinöörejä ja teknikoita.

Mainos valtioita että nämä insinöörit ja teknikot työskentelevät tiiviisti suunnittelutiimiemme kanssa korkeapainevaluprosessin kehittämisen ja laitteiden käyttöönoton alkuvaiheessa ja ohjaavat alumiinin painevalu yrityksessä."

Uusien avaruusyritysten ponnistelujen ja investointien perusteella on selvää, että 3D-tulostus tulee olemaan merkittävä osa tulevaisuutta. Järjestöille, kuten NASA, 3D-tulostus voi ratkaista haasteen, joka liittyy varaosien lähettämiseen kansainväliselle avaruusasemalle, koska osa niistä voidaan valmistaa siellä ISS:llä 3D-tulostuksen avulla.