A 3D nyomtatás előnyei jól ismertek. A technológia lehetővé teszi, hogy a termékek ott készüljenek el, ahol szükség van rájuk. Segít megoldani a hatékonysági problémákat, és gördülékenyebbé teszi az ellátási láncok működését. Jelentősen csökkentheti a termékek gyártásához szükséges erőforrásokat és időt.
A rakétagyártó vállalatok az elmúlt évtized nagyobbik részében alkalmazták a 3D nyomtatást, hivatalos nevén az additív gyártást. A sort a SpaceX nyitotta 2013-ban, amikor elkészítette a SuperDraco rakétahajtómű egyik alkatrészét 3D nyomtatással.
Ez a cikk az új űripari vállalatok 3D nyomtatási gyakorlatának történetét tekinti át. A cikk végén egy másik, e vállalatok által alkalmazott fejlett gyártási eljárást is megvizsgálunk: a nagynyomású nyomásos öntést.
A 3D nyomtatás meghatározása
Kezdjük egy rövid emlékeztetővel arról, mit jelent a 3D nyomtatás. A meghatározásért érdemes egyenesen a 3D nyomtatás szakértőjéhez, az Autodeskhez fordulni.
Az Autodesk meghatározása szerint a 3D nyomtatás „olyan eljárás, amely során digitális modell alapján, rétegenként lerakott anyagból fizikai tárgyak készülnek”. A forrás hozzáteszi: „A 3D nyomtatási technológia prototípusok és egyszerű alkatrészek mellett rendkívül összetett végtermékek létrehozására is használható, például repülőgép-alkatrészek, környezetbarát épületek, életmentő orvosi implantátumok, sőt emberi sejtek rétegeiből mesterséges szervek gyártására.”
Az Autodesk három alapvető eljárást különböztet meg a 3D nyomtatással történő gyártásban:
Olvasztott filamentes gyártás (FFF): főként fogyasztási cikkek gyártásánál alkalmazzák. Az eljárás során a műanyagot felmelegítik, majd rétegenként extrudálják, így alakítva ki a kívánt terméket. Fused deposition modeling (FDM) néven is ismert.
Sztereolitográfia (SLA): UV-fény segítségével, rétegről rétegre keményíti meg a gyantát.
Szelektív lézerszinterezés (SLS): lézerrel, rétegről rétegre olvasztja össze a por alakú anyagokat.
Miért fordulnak az űripari gyártók a 3D nyomtatáshoz?
Az additív gyártáshoz szoftvereket kínáló AMFG betekintést nyújt a 3D gyártás űrutazásra gyakorolt hatásába. A vállalat rámutat, hogy „az űrhajógyártóknak fel kell gyorsítaniuk a rakéták fejlesztését és gyártását, miközben csökkentik a költségeket és növelik a hatékonyságot”.
Az AMFG szerint a hagyományos rakétagyártási folyamat több prototípus-készítési ciklusból és gyártási szakaszból áll, ezért költséges és időigényes. Ugyanez a forrás azt írja, hogy a 3D gyártás a hagyományos, 14 hetes gyártási időt akár néhány hétre is lerövidítheti, jelentős idő- és költségmegtakarítást eredményezve.
A 3D gyártás az alkatrészek pontosságát is biztosítja, ami a hagyományos gyártási módszerekkel nehezen megoldható feladat.
Az első 3D nyomtatott alkatrész az űrben
Elon Musk 2002-ben alapította a SpaceX-et. Célja az űrutazás költségeinek csökkentése volt, hogy az emberiség idővel benépesíthesse a Marsot. A SpaceX szerint ezt „teljesen újrafelhasználható hordozórakétákkal kívánják elérni, amelyek az eddig épített legerősebbek lesznek, és embereket juttathatnak el a Marsra, valamint a Naprendszer más célpontjaira”.
2013. szeptember 5-én Musk egy tweetben jelentette be, hogy „A SpaceX SuperDraco inconel rakétakamrája regeneratív hűtőköpennyel előbukkan az EOS 3D-fémnyomtatójából.”
Az űrkutatással, innovációval és csillagászattal foglalkozó Space.com beszámolója szerint „a SpaceX idén [2014-ben] küldte az első 3D nyomtatott alkatrészét az űrbe”. A forrás hozzáteszi: „Az alkatrész, egy rakétahajtómű fő oxidálószer-szelepe, a SpaceX január 6-i Falcon 9-indításával jutott fel, amely a Thaicom 6 kereskedelmi távközlési műholdat állította pályára.”
A rakétaalkatrészek 3D nyomtatásának gyakorlati alkalmazhatóságát az igazolta, hogy a szelep a zord körülmények között, például rendkívül alacsony hőmérsékleten is megfelelően működött.
A SpaceX más kiegészítők, például sisakok gyártásához is használ 3D nyomtatási technológiát. A 3Dnatives.com szerint „minden sisakhoz tartozik egy napellenző, szelepek, zárak és mikrofonok”.
Blue Origin: jelentős beruházások a 3D nyomtatásba
A Blue Origin az Amazon alapítója, Jeff Bezos által létrehozott repülőgép- és űripari vállalat. A céget 2000-ben alapították a Washington állambeli Kentben. „Elkötelezettek vagyunk amellett, hogy utat nyissunk az űrbe, hogy gyermekeink építhessék a jövőt” – olvasható a vállalat küldetésnyilatkozatában.
A Blue Origin azt is kijelenti, hogy küldetésének megfelelően „részben és teljesen újrafelhasználható, biztonságos, alacsony költségű hordozórakétákat fejleszt, amelyek a polgári, kereskedelmi és védelmi ügyfelek igényeit egyaránt kiszolgálják”.
A Blue Origin megfizethető és biztonságos űrutazást kínáló termékeinek elterjesztésében fontos szerepet játszik a 3D nyomtatási technológia. A 3DPrintingIndustry.com a Blue Origin elnökét, Rob Meyersont idézi, aki elmondta, hogy vállalata „jelentős összegeket fektetett be a 3D nyomtatásba”. Hozzátette: „Teljes mértékben elkötelezettek vagyunk az új technológiák bevezetése és a bennük rejlő lehetőségek maximális kihasználása mellett.”
A 3DPrintingIndustry.com arról is beszámol, hogy Meyerson egy prezentációban szemléltette a 3D nyomtatás hagyományos öntési módszerekhez képest jelentkező idő- és költségmegtakarítását. Bemutatott egy alkatrészt, amelyet 3D nyomtatással három hónap alatt készítettek el. Ugyanez az alkatrész hagyományos öntési eljárással több mint 12 hónapot vesz igénybe.
A 3D nyomtatott hajtómű, amely az első nőt a Hold felszínére juttathatja
A 3Dprint.com 2020 decemberében arról számolt be, hogy „a Blue Origin háromfokozatú holdkompot készített, amely 2024-re eljuttathatja az első nőt és a következő férfit a Hold felszínére”.
Különösen izgalmas, hogy a holdkompot meghajtó BE-7-es hajtómű 3D technológiával készült. Ezt Bezos is megerősítette: elmondta: „A BE-7 nagy teljesítményű, additív gyártással készült, folyékony hidrogénnel és folyékony oxigénnel működő holdraszálló hajtómű, amelynek tolóereje 10,000 lbf, és 2,000 lbf-ig mélyen szabályozható a Holdra történő precíz leszálláshoz.”
De ez még nem minden. Bezos egy Instagram-videóban jelentette be: „Ez az a hajtómű, amely az első nőt a Hold felszínére juttatja.” A Washington Post szerint ez a nő Wally Funk lett volna, aki 1961-ben azért maradt le az űrutazásról, mert „a NASA-nak nem volt női űrhajósokra vonatkozó programja”.
Funk végül nem járt a Hold felszínén, de 2021. július 20-án lehetőséget kapott az űrutazásra. Ekkor 82 éves volt. Bezos három utastársa közül az egyik volt azon az úton, amelyet a Blue Origin „első emberes űrrepülésének” nevezett.
Teljes egészében 3D nyomtatott rakéta pályára állítása
A Relativity Space 2015-ben alapított űripari vállalat. A cég azt a célt tűzte ki maga elé, hogy „elsőként juttasson sikeresen pályára egy teljes egészében 3D nyomtatott rakétát”.
De mit jelent a gyakorlatban az, hogy „teljes egészében 3D nyomtatott rakéta”? Denrie Perez, az Engineering.com szerzője megadja a választ: „A hajtóművektől a törzsig a Relativity szinte a teljes gyártási folyamatot automatizálja.”
Perez hozzáteszi, hogy a 3D nyomtatás lehetővé tette a Relativity számára a tervek gyors módosítását. Megjegyzi, hogy a SpaceX-hez hasonló versenytársak megelőzése érdekében a vállalat a testreszabhatóságot kínálja. „A 3D nyomtatás alkalmazásával a vállalat újra és újra módosíthatná a kapszulákat, hogy azok bármilyen műholdhoz illeszkedjenek” – írja.
A Forbes.com idézi a Relativity vezérigazgatóját, Tim Ellist, aki elmondja, hogy „a 3D nyomtatással gyorsabban tudunk rakétákat készíteni, kisebb, hatékonyabban működő gyárban, kevesebb munkafolyamattal”.
2021. június 8-án Alex Knapp a Forbes.com oldalán beszámolt arról, hogy a Relativity 650 millió $ tőkét vont be egy E sorozatú kockázatitőke-finanszírozási körben. Beszámolója szerint „a tőke a vállalat Terran R rakétájának fejlesztését hivatott felgyorsítani, amely teljes egészében 3D nyomtatással készül majd, és Elon Musk Falcon 9 rakétájánál nagyobb hasznos terhet lesz képes az űrbe juttatni”.
Más, 3D nyomtatást alkalmazó űripari vállalatok
A 3D nyomtatás űripari előnyeit figyelembe véve nem meglepő, hogy látszólag minden komoly űripari vállalat tesz lépéseket az alkatrészek ezzel a technológiával történő gyártása felé.
Michael Petch a 3DPrintingIndustry.com oldalán arról számol be, hogy a Virgin Galactic elnök-vezérigazgatója, George Whitesides egy interjú során elmondta neki: a vállalat „célja, hogy a hajtóműveink gyártási idejét sok hónapról idővel néhány hétre csökkentsük”. Petch jelezte, hogy a 3D nyomtatás meghatározó szerepet játszik majd e cél elérésében.
A Rocket Lab űrutazással foglalkozó vállalat, amelyet az MIT Technology Review úgy jellemzett, mint „a kis cég, amely elindította a 3D nyomtatott űrtechnológia forradalmát”. A vállalatot Peter Beck alapította 2006-ban.
Az MIT Technology Review beszámolója szerint „eddig hat [Rocket Lab] rakétát indítottak sikeresen – mindegyik kilenc Rutherford hajtóművel rendelkezik, amelyek elsősorban fémalapú 3D nyomtatással készülnek, akárcsak számos más fedélzeti alkatrész”.
Van hely más módszereknek is?
Bár az új űripari vállalatok nagy lendülettel haladnak előre a 3D technológiák alkalmazásában, úgy tűnik, az iparágban továbbra is van helyük a régóta használt módszereknek.
A sok éve alkalmazott, de ma is fontos technológiák egyik példája a műanyag fröccsöntés.
Azt, hogy ezeknek a módszereknek továbbra is van jövőjük, a SpaceX egyik nemrég közzétett álláshirdetése is bizonyítja, amely szerint a vállalat az adott technológiákban jártas mérnököket és technikusokat keres.
A hirdetés szerint ezek a mérnökök és technikusok „szorosan együttműködnek mérnöki csapatainkkal a nagynyomású öntési eljárás fejlesztésének és a berendezések üzembe helyezésének korai szakaszában, és előmozdítják az alumínium nyomásos öntésének fejlesztését a vállalatnál”.
Az új űripari vállalatok erőfeszítéseiből és beruházásaiból egyértelműen látszik, hogy a 3D nyomtatás jelentős szerepet tölt majd be a jövőben. Az olyan szervezetek számára, mint a NASA, a 3D nyomtatás megoldást kínálhat a pótalkatrészek Nemzetközi Űrállomásra juttatásának kihívására, mivel lehetővé teszi, hogy egy részüket helyben, az ISS-en állítsák elő 3D nyomtatással.
