Колонизация других планет и исследование космоса: 3D-печать открывает новые возможности
Ученые считают, что 3D-печать может дать значительный импульс исследованиям внеземных цивилизаций.
Как можно оптимизировать 3D-печать конструкций в космосе и повысить их безопасность? Как с помощью новых технологий создать сверхсветовые оптические системы для наноспутников?
Исследователи из российских вузов, участвующие в проекте «5-100», подробно рассказали о своих достижениях.
Одно из ключевых преимуществ нового подхода заключается в том, что один 3D-принтер может заменить множество обычного заводского оборудования.
В ноябре 2020 года журнал Forbes включил аддитивные технологии (от лат. Additivus) в список пяти новых революционных технологий, на которые следует обратить внимание предпринимателям.
Авторы обзора отметили, что аддитивные технологии могут дать много преимуществ в аэрокосмической промышленности, где вес продукта нередко является самым высоким фактором затрат.
Использование 3D-печати в космосе может значительно ускорить освоение внеземных земель; Аддитивные технологии также активно проникают в ракетостроение.
Шлемы астронавтов Роберта Бенкена и Дуга Херли, участвовавших в запуске ракеты Falcon 9 на космическом корабле Crew Dragon 30 мая 2020 года, были изготовлены по индивидуальному заказу. использование технологии 3D-печати.
По словам главы аэрокосмической компании SpaceX Илона Маска, с помощью 3D-печати можно изготавливать прочные и высокопроизводительные детали двигателя за меньшие деньги и за долю времени, затрачиваемого на изделие, производимое традиционным способом. Компания представила первую деталь, напечатанную на 3D-принтере, еще в 2014 году.
Аэрокосмическая компания Blue Origin использует аддитивные технологии для печати компонентов двигателя BE-4. Молодые ракетные компании из США (Relativity Space) и Великобритании (Orbex) также планируя использовать Возможности 3D-печати максимально широко.
Повышение безопасности 3D-структур
Между тем, даже незначительные дефекты конструкций, напечатанных с помощью 3D-принтеров, играют жизненно важную роль в безопасности производимого оборудования.
Ученым из Национального университета науки и технологий «МИСиС» удалось модернизировать технологию 3D-печати алюминием, повысив его твердость на 50 процентов.
3D-печать аэрокосмических композитов
По мнению исследователей МИСиС, основной риск возникновения таких дефектов несет большой объем пор материала, вызванный, в том числе, особенностями исходного алюминиевого порошка.
Чтобы добиться ровной и толстой микроструктуры печатных изделий, ученые предложили добавлять в алюминиевый порошок углеродные нановолокна, которые помогают уменьшить объем пор и повысить твердость материала на 50 процентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Composites Communications.
«Углеродные нановолокна обладают высокой теплопроводностью, что помогает минимизировать температурные градиенты между печатными слоями на протяжении всего процесса синтеза изделий на стадии селективного лазерного плавления. Благодаря этому можно полностью удалить практически все неоднородности микроструктуры материала », – рассказал профессор МИСиС Александр Громов.
Используемые углеродные нановолокна являются побочным продуктом производства попутных нефтяных газов. Во время каталитического разложения карбоний собирается в виде нановолокон на дисперсных металлических частицах католита. Исследователи отметили, что нефтяные попутные газы обычно сжигаются на шахтах, что вредно для окружающей среды, и поэтому использование нового метода также важно с экологической точки зрения.
Оптимизация производства в космосе
3D-печать может быть использована в будущих космических миссиях, таких как как колонизация Марса– говорят Илон Маск и другие специалисты.
Чтобы жить на Марсе, необходимо иметь возможность начать производство там и, в идеале, использовать материалы, добытые на месте. Можно будет использовать 3D-принтеры, чтобы заложить фундамент и построить там экосистему.
Даже сейчас, на Международной космической станции, вопрос доступности материалов стоит очень остро, поскольку космонавтам приходится ждать грузовые корабли несколько месяцев.
Некоторые важные крошечные компоненты могут сломаться или потеряться, например, пластиковые заглушки для электрических соединений. В этих случаях 3D-принтер, способный печатать пластиковые предметы в космосе, позволяет решить проблему.
В будущем во время межпланетных перелетов проблема доступности станет еще более актуальной, и такой принтер будет пользоваться большим спросом.
В 2016 году для производства инструментов, оборудования и всего, что может пригодиться во время космической миссии, НАСА поручило компании Made in Space создать постоянный 3D-принтер на МКС.
После этого о выпуске аналогичных машин заявили и другие компании.
Преимуществом российского 3D-принтера, который отправится в космос в 2021 году, станет более совершенная модульная система, позволяющая проводить модернизацию и ремонт оборудования, отметили авторы статьи, исследователи из Томского политехнического университета.
Таким образом, при переходе от простых пластиков к ультраконструкционным и композиционным материалам инженерам не придется изготавливать новый принтер и снова отправлять его на МКС, как это сейчас делают наши американские коллеги.
«Сейчас идет финальная работа по подготовке модели 3D-принтера. К оборудованию, отправляемому на МКС, предъявляются серьезные требования по устойчивости к механике, климату, нагрузке и т. Д. Также важно убедиться, что принтер безопасен для космонавтов. Все это сейчас проходит испытания – идет ряд испытаний и проверок. Отдельно обновляется программное обеспечение, которое создано специально для этого принтера », – поделился Василий Федоров, руководитель научно-производственной лаборатории« Современные производственные технологии ». Создание сверхлегкой оптической системы для наноспутников
Возможности 3D-печати позволили ученым Самарского университета создать уникальную сверхлегкую оптическую систему с дифракционной оптикой для наноспутников. По словам исследователей, это будет первый в мире объектив с дифракционной оптикой, который отправится в космос.
В основе оптической системы лежит разработанная в университете плоская дифракционная линза, обладающая уникальными характеристиками. Объектив фотоаппарата на его основе может заменить всю систему линз, используемых в телекамерах, отличается малым весом (менее 100 г, включая оптическую часть) и небольшими размерами.
Для линзы исследователи разработали инновационную оправу бионической формы, которая была рассчитана так, чтобы можно было уменьшить вес при сохранении той же твердости.
Деталь, имеющая сложную форму и внутреннюю структуру, была разработана посредством 3D-печати на установке селективной лазерной плавки SLM 280HL.
По словам ученых, чтобы минимизировать вес компонента, в его внутреннюю структуру во время топологической оптимизации были добавлены специальные пористые детали.
3D-печать аэрокосмических композитов
Размер детали 70 × 80 × 100 мм. Использование аддитивных технологий позволило снизить его вес примерно на 40 процентов по сравнению с аналогичным компонентом, изготовленным обычным способом.
«Оправа объектива камеры сделана из порошка алюминиевого сплава AlSi10M. Сплав российского производства хорошо известен не только в России, но и за рубежом. Как известно, в космической и авиационной отраслях вес является важнейшей характеристикой, и постоянно ведется работа по его снижению », – поделился Виталий Смелов, академик кафедры технологий производства двигателей Самарского университета.
Ученые провели многоэтапную топологическую оптимизацию исходной конструкции, в итоге придя и проанализировав несколько ее форм.
«В партнерстве с экспертами CADFEM CIS в области топологической оптимизации и аддитивных технологий мы провели огромную работу по проектированию конструкции новой формы, которая будет отвечать всем текущим требованиям аэрокосмических компаний всего мира», – рассказал академик Самарского университета Антон. Агаповичев.
Стоимость аналогичных товаров, например, объектива камеры для CubeSat Gecko Imager, составляет 23 000 евро. Ученые говорят, что их оптическая система будет намного дешевле.
Проект 5-100, реализуемый в рамках национального проекта «Образование», направлен на повышение научно-исследовательского потенциала российских университетов и их конкурентоспособности на мировом образовательном рынке.
Источник
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
