3D печать с каждым годом развивается все активнее, находя применение во многих важных сферах. Одной из них является аэрокосмонавтика, где аддитивные технологии задействуют для производства множества объектов: от скафандров до целых спутников и космических кораблей. По прогнозу SmarTech, к 2026 году рынок аддитивного производства в космической отрасли вырастет до $2.1 млрд евро. В связи с этим мы решили рассказать о технологиях и способах применения 3D печати в аэрокосмонавтике, а также о преимуществах и ограничениях такой интеграции.
Какие технологии 3D печати востребованы в космосе?
Наиболее распространенными в этой сфере являются технологии 3D печати из металла, в частности, L-PBF. Этот метод представляет собой послойное сплавление металлических порошков при помощи лазерной энергии. Он оптимально подходит для производства сложных детализированных объектов небольших размеров. Кроме того, в аэрокосмической отрасли востребована технология прямого подвода энергии DED с материалами в виде металлической проволоки и порошка. В основном ее используют для ремонта, нанесения покрытий, а также изготовления металлических или керамических деталей под заказ.
Также в космической среде может быть эффективна технология экструзии. Однако для космоса подходят далеко не все полимеры, а только высокопроизводительные пластики – такие, как PEEK. Отменная прочность делает их достойной альтернативой металлу. А технология binder jetting не подходит для изготовления деталей с высокими механическими свойствами, несмотря на ее низкую себестоимость и большую скорость производства. Это связано с тем, что изготовленные с ее помощью изделия нуждаются в армировании на этапе постобработки. А это существенно увеличивает общий срок производства.
Способы применения 3D печати в аэрокосмонавтике
Возможности для ее применения зависят от выбранной технологии 3D печати. Например, лазерную печать из порошка можно использовать для мелкосерийного производства небольших изделий: инструментов, запчастей и т.д. Калифорнийский стартап Launcher модернизировал свой ракетный двигатель E-2 при помощи технологии печати из металла Sapphire от Velo3D. Этот метод помог ему разработать индукционную турбину для ускоренной подачи жидкого кислорода в камеру сгорания. Детали оборудования были напечатаны на 3D принтере и затем собраны в цельную конструкцию.
А технология 3D печати Stargate от Relativity Space подходит для разработки более крупных элементов: таких, как топливные баки и лопасти пропеллеров. С ее помощью разработчики создали ракету Terran 1, почти полностью напечатанную на 3D принтере, включая топливный бак размерами в несколько метров. Успешный запуск ракеты состоялся 23 марта 2023 года. Созданные методом экструзии из сверхпрочного термопласта PEEK компоненты установлены на ровере Rashid, исследующего поверхность Луны в рамках лунной миссии ОАЭ.
Преимущества применения аддитивных технологий в космосе
3D печать имеет более широкие возможности для применения в космосе, по сравнению с традиционными методами. Прежде всего, она позволяет заметно уменьшить вес готовых деталей. Напечатанные на 3D принтерах изделия более эффективны, а для их разработки требуется меньше ресурсов. Компания Relativity Space продемонстрировала, что аддитивное производство помогает существенно сократить количество компонентов, необходимых для изготовления космического корабля. При разработке ракеты Terran 1 ей понадобилось на 100 деталей меньше, чем нужно при традиционном производстве.
Также 3D печать существенно ускорила работу – ракета была построена менее чем за 60 дней. Без нее данный процесс, возможно, длился бы несколько лет. Еще аддитивные технологии помогают экономить материалы и, в некоторых случаях, даже перерабатывают отходы. Уменьшенный с их помощью вес ракет повышает вероятность успешного запуска. Кроме того, при подготовке экспедиции можно загрузить в корабль только самое необходимое (включая 3D принтер), напечатав остальные предметы прямо на Луне или Марсе.
Ограничения для применения 3D печати в космосе
Несмотря на ряд преимуществ 3D печати, относительная новизна этой технологии ограничивает ее внедрение. Одной из основных проблем применения аддитивного производства в аэрокосмонавтике является валидация и контроль процессов. Каждая деталь ракет и кораблей проходит проверку на прочность, надежность и микроструктуру (неразрушающий контроль) в лабораторных условиях. Однако это занимает много времени и других ресурсов, поэтому разработчики ищут возможности сократить количество тестов.
Для решения проблемы NASA создало центр для быстрой сертификации деталей, созданных с участием 3D печати. Его целью выступает совершенствование компьютерных моделей изделий при помощи цифровых копий. Они помогут инженерам точно рассчитать предельную нагрузку и другие параметры деталей. С другой стороны, при печати деталей в космосе они должны проверяться непосредственно в процессе производства. Для этого пригодится система самокоррекции принтеров, позволяющая им самостоятельно выявлять возможные ошибки и автоматически регулировать параметры печати.
NASA и ESA уже сформировали набор испытаний, которые помогут оценить качество и надежность любой напечатанной на 3D принтере детали. Сейчас они подходят для порошковой печати, но вскоре распространятся и на другие технологии. Собственные стандарты предлагают крупные производители материалов для АП: Arkema, BASF, Dupont и Sabic.
