Новий потенціал тривимірного друку: Міжзоряна міграція та освоєння космосу

Використовуючи комп’ютерні технології 3D, технологія адитивного виробництва будівельних об’єктів шляхом пошарового накопичення матеріалів все більше стає головним у виробництві космічного обладнання. Вчені вважають, що 3D-друк може значно прискорити розвиток позаземного простору. Як оптимізувати" космічне виробництво" 3D-принтерів та покращити безпеку друкованих компонентів? Як використовувати нові технології для створення надлегких оптичних систем для наносупутників? Дослідники з російських університетів (члени проекту GG; проект 5-100 GG) представили свої останні розробки.

Однією з головних переваг нового методу є те, що 3D-принтер може замінити велику кількість обладнання на традиційній фабриці. У листопаді 2020 року журнал Forbes включив технологію виробництва добавок (від латинського additivus-add) до списку п’яти революційно нових технологій, що заслуговують на увагу підприємців. Автор статті зазначив, що технологія виробництва добавок принесе величезну користь аерокосмічній галузі. У цій галузі вага товару, як правило, є найважливішим фактором, що впливає на транспортні витрати.

Космічний 3D-друк може значно пришвидшити розвиток позаземного простору; Технологія виробництва добавок також активно проникає в ракетну промисловість.

30 травня 2020 року каски астронавтів Роберта Бекона та Дага Херлі, які брали участь у запуску космічного корабля Crew Dragon та ракети Falcon 9, були адаптовані за допомогою технології 3D-друку.

Ілон Маск, керівник SpaceX Aerospace Corporation, зазначив, що за допомогою 3D-друку можна виготовити міцні високоефективні деталі двигуна, а витрачений час і гроші - лише мала частина використання традиційних методів виробництва. У 2014 році SpaceX вже виготовив перший 3D-друкований компонент.

GG Quot; Blue Origin&Quot; аерокосмічна компанія Джефф Безос використовує технологію виробництва добавок для друку компонентів двигуна BE-4. Молоді ракетні компанії зі США (Релятивістський простір) та Великобританії (Обекс) також планують повною мірою скористатися можливостями 3D-принтерів.

Підвищити безпеку 3D-компонентів

У той же час навіть найменші дефекти компонентів із 3D-принтом є життєво важливими для безпеки створеного обладнання. Вчені Національного дослідницького технологічного університету MISIS (NUST MISIS) змогли вдосконалити технологію 3D-друку алюмінію та збільшити твердість виробу в 1,5 рази.

Дослідники NUST MISIS вважають, що головним ризиком таких дефектів є висока пористість матеріалу, однією з причин є характеристики оригінального алюмінієвого порошку. Для того, щоб забезпечити рівномірність і щільність мікроструктури друкованого продукту, вчені запропонували метод додавання вуглецевих нановолокна до порошку алюмінію для забезпечення низької пористості матеріалу та збільшення його твердості в 1,5 рази. Результати дослідження опубліковані в&"Composites Communications GG"; журнал.

Професор Олександр Громов з NUST MISIS сказав:" Вуглецеві нановолокна мають високу теплопровідність, що допомагає мінімізувати градієнт температури між шарами друку під час стадії селективного лазерного плавлення під час процесу синтезу продукту. Отже, матеріал Неоднорідність мікроструктури можна майже повністю усунути."

Використовувані вуглецеві нановолокна є побічним продуктом переробки пов'язаного з нафтовими родовищами газу. Під час процесу каталітичного розкладання вуглець накопичується у вигляді нановолокна на металевих частинках, диспергованих каталізатором. Вчені також зазначили, що супутній газ, як правило, є GG; на нафтових і газових родовищах, завдаючи шкоди навколишньому середовищу, тому використання цього нового методу має важливе значення для охорони навколишнього середовища.

Оптимізуйте" Космічне виробництво"

Ілон Маск та інші експерти впевнені, що 3D-друк може допомогти в майбутньому освоєнню космосу, наприклад, колонізації Марса.

Щоб вижити на Марсі, потрібно мати змогу розпочати там виробництво та найкраще використовувати місцеві матеріали. 3D-принтер можна використовувати для побудови бази та побудови там житлового середовища.

Навіть зараз у роботі Міжнародної космічної станції (МКС) проблема отримання матеріалів все ще залишається серйозною, і астронавтам наступного вантажного космічного корабля доведеться чекати кілька місяців. Іноді важливі дрібні деталі пошкоджуються або губляться, наприклад, пластикова пробка електричного контакту часто втрачається. У цьому випадку 3D-принтери можуть вирішити цю проблему, надрукувавши пластмасові вироби в космосі. У майбутньому під час міжзоряних польотів проблеми з доступністю стануть гострішими, і попит на такі принтери неминуче зросте.

У 2016 році NASA замовило Made in Space встановити постійний 3D-принтер на Міжнародній космічній станції для виробництва інструментів, обладнання та всього іншого, що може знадобитися космонавтам. Згодом деякі європейські, китайські та інші компанії також заявили про виробництво подібних машин.

Дослідник, який розробляв 3D-принтер, вчений з Томського технологічного університету (ТПУ), заявив, що 3D-принтер, вироблений в Росії, вийде в космос у 2021 році. Його перевага полягає в більш досконалій модульній системі, яка може здійснити модернізацію та обслуговування обладнання. Тому, коли матеріали для 3D-друку переходять із простих пластмас на надбудови або композиційні матеріали, інженерам не доведеться створювати нові принтери, як їхні американські колеги сьогодні, а потім доставляти їх на МКС.

Василь Федоров, керівник науково-виробничої лабораторії сучасних технологій виробництва TPU&# 39, сказав:" Зараз робоча схема 3D-принтера знаходиться на завершальній стадії. Обладнання, відправлене на МКС, має сувору стійкість до машин, погоди та інших навантажень. Вимога. Крім того, щоб переконатися, що 3D-принтер є абсолютно безпечним для космонавтів. Зараз все це перебуває на контролі, і проведена низка випробувань та перевірок. Одночасно вдосконалено програмне забезпечення, налаштоване спеціально для принтера."

Створюйте надлегкі оптичні системи для наносупутників

Можливість 3D-друку дозволяє вченим Самарського університету створити унікальну надлегку оптичну систему для наносупутників з дифракційною оптикою. Дослідники стверджують, що це перша в світі лінза' з дифракційною оптикою, яка потрапить у космос.

Ядром оптичної системи є плоска дифракційна лінза, розроблена в університеті, яка має унікальні характеристики. Лінза, створена на основі цієї лінзи, замінює систему лінз сучасної лінзи далекого діапазону, а її характеристики - невелика вага (з оптичними компонентами вагою менше 100 грам) та невеликі розміри.

Лінза має інноваційну біонічну оболонку і розроблена за найкращою технологією, щоб мінімізувати вагу, зберігаючи міцнісні характеристики. Складна зовнішня форма та внутрішня структура компонентів космічного корабля надруковані 3D на апараті селективного лазерного синтезу SLM280HL.

На думку вчених, щоб максимально зменшити вагу компонентів, проведена оптимізація топології у його внутрішній структурі, в результаті чого додані спеціальні стільникові блоки. Розмір деталі 70 × 80 × 100 мм. Завдяки використанню технології виготовлення добавок його вага приблизно на 40% легша, ніж аналогічні деталі, виготовлені традиційними методами.

Віталій Смайлов, доцент кафедри викладання та досліджень технології виробництва двигунів Самарського університету, сказав:" Оболонка лінзи виготовлена ​​з порошку алюмінієвого сплаву AlSi10Mg. Сплав, вироблений у Росії, користується високою репутацією як у Росії, так і за кордоном. В аерокосмічній та авіаційній галузі вага є головною ознакою, і промисловість намагається зменшити цей показник."

Вчені провели багатоступеневу оптимізацію топології вихідної структури, отримали та проаналізували кілька форм.

Антон Агапович, науковий співробітник Університету Самари, сказав:" Ми співпрацювали з експертами в галузі оптимізації топології CADFEM СНД та технології виготовлення адитивних матеріалів і проробили багато роботи для отримання нового типу конструкції, що відповідає потреби світової аерокосмічної галузі Сучасні вимоги."

На думку вчених, подібні вироби, такі як лінза CubeSat Gecko Imager (Gecko Imager), коштують 23000 євро, а ціна оптичної системи, яку вони розробляють, буде набагато нижчою.

GG quot; 5-100" план, реалізований в рамках національного" освіта" Проект має на меті допомогти російським університетам збільшити свій науково-дослідний потенціал та поліпшити свої конкурентні позиції на світовому ринку освітніх послуг.