ตั้งแต่ศตวรรษที่ 20 เผ่าพันธุ์มนุษย์หลงใหลในการสำรวจอวกาศและทำความเข้าใจสิ่งที่อยู่นอกโลกองค์กรใหญ่ๆ เช่น NASA และ ESA เป็นแนวหน้าในการสำรวจอวกาศ และผู้มีบทบาทสำคัญในการพิชิตครั้งนี้ก็คือการพิมพ์ 3 มิติด้วยความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อนอย่างรวดเร็วด้วยต้นทุนที่ต่ำ เทคโนโลยีการออกแบบนี้จึงเป็นที่นิยมมากขึ้นในบริษัทต่างๆมันทำให้การสร้างแอปพลิเคชันต่างๆ เป็นไปได้ เช่น ดาวเทียม ชุดอวกาศ และส่วนประกอบของจรวดจากข้อมูลของ SmarTech มูลค่าตลาดของการผลิตสารเติมแต่งในอุตสาหกรรมอวกาศส่วนตัวคาดว่าจะสูงถึง 2.1 พันล้านยูโรภายในปี 2569 สิ่งนี้ทำให้เกิดคำถาม: การพิมพ์ 3 มิติจะช่วยให้มนุษย์มีความเป็นเลิศในอวกาศได้อย่างไร
ในขั้นต้น การพิมพ์ 3 มิติส่วนใหญ่ใช้สำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมการแพทย์ ยานยนต์ และอวกาศอย่างไรก็ตาม เมื่อเทคโนโลยีแพร่หลายมากขึ้น จึงมีการใช้มากขึ้นสำหรับส่วนประกอบขั้นสุดท้ายเทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งโลหะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง L-PBF ทำให้สามารถผลิตโลหะหลากหลายชนิดที่มีคุณสมบัติและความทนทานที่เหมาะกับสภาพพื้นที่มากเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติอื่นๆ เช่น DED, Binder Jetting และกระบวนการ Extrusion ยังใช้ในการผลิตชิ้นส่วนการบินและอวกาศอีกด้วยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีโมเดลธุรกิจใหม่ๆ เกิดขึ้น โดยบริษัทต่างๆ เช่น Made in Space และ Relativity Space ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในการออกแบบชิ้นส่วนอวกาศ
สัมพัทธภาพอวกาศพัฒนาเครื่องพิมพ์ 3 มิติสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในอวกาศ
ตอนนี้เราได้แนะนำเทคโนโลยีเหล่านี้แล้ว เรามาดูรายละเอียดเกี่ยวกับเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบต่างๆ ที่ใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศกันดีกว่าประการแรก ควรสังเกตว่าการผลิตสารเติมแต่งโลหะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง L-PBF มีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในสาขานี้กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานเลเซอร์เพื่อหลอมรวมผงโลหะทีละชั้นเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็ก ซับซ้อน แม่นยำ และกำหนดเองได้ผู้ผลิตด้านการบินและอวกาศยังสามารถได้รับประโยชน์จาก DED ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเคลือบลวดโลหะหรือผง และส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการซ่อมแซม เคลือบ หรือผลิตชิ้นส่วนโลหะหรือเซรามิกแบบกำหนดเอง
ในทางตรงกันข้าม การพ่นสารยึดเกาะแม้ว่าจะมีข้อได้เปรียบในแง่ของความเร็วในการผลิตและต้นทุนที่ต่ำ แต่ก็ไม่เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่มีประสิทธิภาพสูง เนื่องจากต้องมีขั้นตอนเสริมความแข็งแกร่งหลังการแปรรูป ซึ่งจะเพิ่มเวลาในการผลิตของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเทคโนโลยีการอัดขึ้นรูปยังมีประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมของอวกาศควรสังเกตว่าโพลิเมอร์บางชนิดไม่เหมาะสำหรับใช้ในอวกาศ แต่พลาสติกประสิทธิภาพสูง เช่น PEEK สามารถทดแทนชิ้นส่วนโลหะบางส่วนได้เนื่องจากความแข็งแรงอย่างไรก็ตาม กระบวนการพิมพ์ 3 มิตินี้ยังไม่แพร่หลายมากนัก แต่ก็สามารถกลายเป็นทรัพย์สินที่มีค่าสำหรับการสำรวจอวกาศได้ด้วยการใช้วัสดุใหม่ๆ
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) เป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการพิมพ์ 3 มิติสำหรับการบินและอวกาศ
ศักยภาพของวัสดุอวกาศ
อุตสาหกรรมการบินและอวกาศได้สำรวจวัสดุใหม่ ๆ ผ่านการพิมพ์ 3 มิติ โดยเสนอทางเลือกใหม่ ๆ ที่อาจส่งผลกระทบต่อตลาดในขณะที่โลหะ เช่น ไททาเนียม อะลูมิเนียม และโลหะผสมนิกเกิล-โครเมียมมักเป็นจุดสนใจหลักมาโดยตลอด แต่วัสดุชนิดใหม่อาจดึงความสนใจไปได้ในไม่ช้า นั่นคือ เรโกลิธของดวงจันทร์Lunar regolith เป็นชั้นฝุ่นที่ปกคลุมดวงจันทร์ และ ESA ได้แสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของการรวมเข้ากับการพิมพ์ 3 มิติAdvenit Makaya วิศวกรอาวุโสฝ่ายการผลิตของ ESA อธิบายเรโกลิธบนดวงจันทร์ว่าคล้ายกับคอนกรีต โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยซิลิคอนและองค์ประกอบทางเคมีอื่นๆ เช่น เหล็ก แมกนีเซียม อะลูมิเนียม และออกซิเจนESA ได้ร่วมมือกับ Lithoz เพื่อผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ใช้งานได้ เช่น สกรูและเฟือง โดยใช้กลไกดวงจันทร์จำลองที่มีคุณสมบัติคล้ายกับฝุ่นบนดวงจันทร์จริง
กระบวนการส่วนใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตเรโกลิธบนดวงจันทร์ใช้ความร้อน ทำให้เข้ากันได้กับเทคโนโลยีต่างๆ เช่น SLS และโซลูชั่นการพิมพ์ด้วยผงแป้งESA ยังใช้เทคโนโลยี D-Shape โดยมีเป้าหมายในการผลิตชิ้นส่วนที่เป็นของแข็งโดยการผสมแมกนีเซียมคลอไรด์กับวัสดุและรวมเข้ากับแมกนีเซียมออกไซด์ที่พบในชิ้นงานจำลองข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างหนึ่งของวัสดุดวงจันทร์นี้คือความละเอียดในการพิมพ์ที่ละเอียดกว่า ทำให้สามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูงสุดได้คุณลักษณะนี้อาจกลายเป็นทรัพย์สินหลักในการขยายช่วงของการใช้งานและส่วนประกอบการผลิตสำหรับฐานดวงจันทร์ในอนาคต
Lunar Regolith มีอยู่ทั่วไป
นอกจากนี้ยังมี Martian regolith ซึ่งหมายถึงวัสดุใต้พื้นผิวที่พบบนดาวอังคารปัจจุบัน องค์การอวกาศระหว่างประเทศไม่สามารถกู้คืนวัสดุนี้ได้ แต่สิ่งนี้ไม่ได้หยุดนักวิทยาศาสตร์จากการค้นคว้าศักยภาพในโครงการอวกาศบางโครงการนักวิจัยกำลังใช้ตัวอย่างจำลองของวัสดุนี้และรวมเข้ากับโลหะผสมไททาเนียมเพื่อผลิตเครื่องมือหรือส่วนประกอบของจรวดผลลัพธ์เบื้องต้นบ่งชี้ว่าวัสดุนี้จะให้ความแข็งแรงที่สูงขึ้นและปกป้องอุปกรณ์จากการเกิดสนิมและความเสียหายจากรังสีแม้ว่าวัสดุทั้งสองนี้จะมีคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกัน แต่เรโกลิธของดวงจันทร์ยังคงเป็นวัสดุที่ผ่านการทดสอบมากที่สุดข้อดีอีกประการหนึ่งคือวัสดุเหล่านี้สามารถผลิตได้ในสถานที่โดยไม่จำเป็นต้องขนส่งวัตถุดิบจากโลกนอกจากนี้ เรโกลิธยังเป็นแหล่งวัสดุที่ไม่มีวันหมดสิ้น ซึ่งช่วยป้องกันความขาดแคลน
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับกระบวนการเฉพาะที่ใช้ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ฟิวชั่นเบดเบด (L-PBF) สามารถใช้ในการผลิตชิ้นส่วนระยะสั้นที่ซับซ้อน เช่น ระบบเครื่องมือหรือชิ้นส่วนอะไหล่อวกาศLauncher บริษัทสตาร์ทอัพในแคลิฟอร์เนีย ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติโลหะแซฟไฟร์ของ Velo3D เพื่อปรับปรุงเครื่องยนต์จรวดของเหลว E-2กระบวนการของผู้ผลิตถูกนำมาใช้เพื่อสร้างกังหันเหนี่ยวนำ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการเร่งและขับเคลื่อน LOX (ออกซิเจนเหลว) เข้าสู่ห้องเผาไหม้กังหันและเซ็นเซอร์ถูกพิมพ์โดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติและประกอบเข้าด้วยกันส่วนประกอบที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้ช่วยให้จรวดมีการไหลของของไหลที่มากขึ้นและแรงขับที่มากขึ้น ทำให้เป็นส่วนสำคัญของเครื่องยนต์
Velo3D สนับสนุนการใช้เทคโนโลยี PBF ในการผลิตเครื่องยนต์จรวดของเหลว E-2
การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุมีการใช้งานอย่างกว้างขวาง รวมถึงการผลิตโครงสร้างขนาดเล็กและขนาดใหญ่ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ เช่น โซลูชัน Stargate ของ Relativity Space สามารถใช้ในการผลิตชิ้นส่วนขนาดใหญ่ เช่น ถังเชื้อเพลิงจรวดและใบพัดอวกาศสัมพัทธภาพได้พิสูจน์สิ่งนี้ผ่านความสำเร็จในการผลิต Terran 1 ซึ่งเป็นจรวดที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติเกือบทั้งหมด รวมทั้งถังเชื้อเพลิงยาวหลายเมตรการเปิดตัวครั้งแรกเมื่อวันที่ 23 มีนาคม พ.ศ. 2566 แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของกระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ
เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบอัดขึ้นรูปยังช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนโดยใช้วัสดุประสิทธิภาพสูง เช่น PEEKส่วนประกอบที่ทำจากเทอร์โมพลาสติกนี้ได้รับการทดสอบในอวกาศแล้ว และถูกนำไปติดตั้งบน Rashid rover ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของภารกิจทางจันทรคติของสหรัฐอาหรับเอมิเรตส์จุดประสงค์ของการทดสอบนี้คือเพื่อประเมินความต้านทานของ PEEK ต่อสภาวะทางจันทรคติที่รุนแรงหากประสบความสำเร็จ PEEK อาจสามารถเปลี่ยนชิ้นส่วนโลหะได้ในสถานการณ์ที่ชิ้นส่วนโลหะแตกหักหรือวัสดุหายากนอกจากนี้ คุณสมบัติน้ำหนักเบาของ PEEK อาจมีประโยชน์ในการสำรวจอวกาศ
เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติสามารถใช้ในการผลิตชิ้นส่วนต่างๆ สำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
ข้อดีของการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
ข้อดีของการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ได้แก่ รูปลักษณ์สุดท้ายของชิ้นส่วนที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับเทคนิคการก่อสร้างแบบดั้งเดิมJohannes Homa ซีอีโอของ Lithoz ผู้ผลิตเครื่องพิมพ์ 3 มิติของออสเตรียกล่าวว่า "เทคโนโลยีนี้ทำให้ชิ้นส่วนมีน้ำหนักเบาลง"เนื่องจากอิสระในการออกแบบ ผลิตภัณฑ์การพิมพ์ 3 มิติจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าและใช้ทรัพยากรน้อยลงสิ่งนี้ส่งผลดีต่อผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของการผลิตชิ้นส่วนอวกาศสัมพัทธภาพได้แสดงให้เห็นว่าการผลิตแบบเติมแต่งสามารถลดจำนวนส่วนประกอบที่จำเป็นในการผลิตยานอวกาศได้อย่างมากสำหรับจรวด Terran 1 สามารถเก็บชิ้นส่วนได้ 100 ชิ้นนอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านความเร็วในการผลิต โดยจรวดจะสร้างเสร็จภายในเวลาน้อยกว่า 60 วันในทางตรงกันข้าม การผลิตจรวดด้วยวิธีดั้งเดิมอาจใช้เวลาหลายปี
ในด้านการจัดการทรัพยากร การพิมพ์ 3 มิติสามารถช่วยประหยัดวัสดุ และในบางกรณี ยังช่วยให้สามารถนำขยะกลับมาใช้ใหม่ได้ในที่สุด การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุอาจกลายเป็นสินทรัพย์อันมีค่าสำหรับการลดน้ำหนักของจรวดเป้าหมายคือการใช้วัสดุในท้องถิ่นให้เกิดประโยชน์สูงสุด เช่น เรโกลิธ และลดการขนส่งวัสดุภายในยานอวกาศทำให้สามารถพกพาเพียงเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งสามารถสร้างทุกอย่างในสถานที่หลังการเดินทาง
Made in Space ได้ส่งเครื่องพิมพ์ 3 มิติไปยังอวกาศเพื่อทำการทดสอบแล้ว
ข้อจำกัดของการพิมพ์สามมิติในอวกาศ
แม้ว่าการพิมพ์ 3 มิติจะมีข้อดีมากมาย แต่เทคโนโลยีนี้ก็ยังค่อนข้างใหม่และมีข้อจำกัดAdvenit Makaya กล่าวว่า "หนึ่งในปัญหาหลักเกี่ยวกับการผลิตสารเติมแต่งในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศคือการควบคุมกระบวนการและการตรวจสอบความถูกต้อง"ผู้ผลิตสามารถเข้าห้องแล็บและทดสอบความแข็งแรง ความน่าเชื่อถือ และโครงสร้างจุลภาคของแต่ละชิ้นส่วนก่อนการตรวจสอบ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT)อย่างไรก็ตาม การดำเนินการนี้อาจใช้เวลานานและมีค่าใช้จ่ายสูง ดังนั้นเป้าหมายสูงสุดคือการลดความจำเป็นในการทดสอบเหล่านี้NASA เพิ่งจัดตั้งศูนย์เพื่อแก้ไขปัญหานี้ โดยมุ่งเน้นที่การรับรองอย่างรวดเร็วของชิ้นส่วนโลหะที่ผลิตโดยการผลิตแบบเติมแต่งศูนย์มีเป้าหมายที่จะใช้ฝาแฝดดิจิทัลเพื่อปรับปรุงแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของผลิตภัณฑ์ ซึ่งจะช่วยให้วิศวกรเข้าใจประสิทธิภาพและข้อจำกัดของชิ้นส่วนได้ดียิ่งขึ้น รวมถึงแรงดันที่สามารถทนต่อได้ก่อนที่จะแตกหักด้วยการทำเช่นนั้น ศูนย์หวังว่าจะช่วยส่งเสริมการประยุกต์ใช้การพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแข่งขันกับเทคนิคการผลิตแบบดั้งเดิม
ส่วนประกอบเหล่านี้ผ่านการทดสอบความน่าเชื่อถือและความแข็งแรงอย่างครอบคลุม
ในทางกลับกัน กระบวนการตรวจสอบจะแตกต่างออกไปหากทำการผลิตในอวกาศAdvenit Makaya จาก ESA อธิบายว่า "มีเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์ชิ้นส่วนระหว่างการพิมพ์"วิธีนี้ช่วยพิจารณาว่าผลิตภัณฑ์สิ่งพิมพ์ใดเหมาะสมและไม่เหมาะสมนอกจากนี้ยังมีระบบแก้ไขตัวเองสำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติสำหรับพื้นที่และกำลังทดสอบกับเครื่องจักรโลหะระบบนี้สามารถระบุข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นในกระบวนการผลิตและแก้ไขพารามิเตอร์โดยอัตโนมัติเพื่อแก้ไขข้อบกพร่องใดๆ ในชิ้นส่วนระบบทั้งสองนี้คาดว่าจะปรับปรุงความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์สิ่งพิมพ์ในอวกาศ
เพื่อตรวจสอบโซลูชันการพิมพ์ 3 มิติ NASA และ ESA ได้กำหนดมาตรฐานมาตรฐานเหล่านี้รวมถึงชุดการทดสอบเพื่อตรวจสอบความน่าเชื่อถือของชิ้นส่วนพวกเขาพิจารณาเทคโนโลยีผงฟิวชันเบดและกำลังปรับปรุงสำหรับกระบวนการอื่นๆอย่างไรก็ตาม ผู้เล่นหลักหลายรายในอุตสาหกรรมวัสดุ เช่น Arkema, BASF, Dupont และ Sabic ต่างก็ให้การตรวจสอบย้อนกลับนี้เช่นกัน
อาศัยอยู่ในอวกาศ?
ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ เราได้เห็นโครงการที่ประสบความสำเร็จมากมายบนโลกที่ใช้เทคโนโลยีนี้ในการสร้างบ้านสิ่งนี้ทำให้เราสงสัยว่ากระบวนการนี้อาจใช้ในอนาคตอันใกล้หรือไกลเพื่อสร้างโครงสร้างที่อาศัยอยู่ในอวกาศได้หรือไม่ในขณะที่การใช้ชีวิตในอวกาศนั้นไม่สมจริง แต่การสร้างบ้านโดยเฉพาะบนดวงจันทร์อาจเป็นประโยชน์สำหรับนักบินอวกาศในการปฏิบัติภารกิจในอวกาศเป้าหมายของ European Space Agency (ESA) คือการสร้างโดมบนดวงจันทร์โดยใช้ moon regolith ซึ่งสามารถใช้สร้างกำแพงหรืออิฐเพื่อป้องกันนักบินอวกาศจากรังสีจากข้อมูลของ Advenit Makaya จาก ESA เรโกลิธบนดวงจันทร์ประกอบด้วยโลหะประมาณ 60% และออกซิเจน 40% และเป็นวัสดุที่จำเป็นสำหรับการอยู่รอดของนักบินอวกาศ เพราะสามารถให้แหล่งออกซิเจนที่ไม่มีที่สิ้นสุดหากสกัดจากวัสดุนี้
NASA ได้มอบเงินช่วยเหลือจำนวน 57.2 ล้านดอลลาร์แก่ ICON สำหรับการพัฒนาระบบการพิมพ์ 3 มิติสำหรับการสร้างโครงสร้างบนพื้นผิวดวงจันทร์ และยังร่วมมือกับบริษัทเพื่อสร้างที่อยู่อาศัยของ Mars Dune Alphaเป้าหมายคือการทดสอบสภาพความเป็นอยู่บนดาวอังคารโดยให้อาสาสมัครอาศัยอยู่ในที่อยู่อาศัยเป็นเวลาหนึ่งปีโดยจำลองสภาพบนดาวเคราะห์สีแดงความพยายามเหล่านี้แสดงถึงขั้นตอนสำคัญต่อการสร้างโครงสร้างการพิมพ์ 3 มิติโดยตรงบนดวงจันทร์และดาวอังคาร ซึ่งอาจปูทางสู่การตั้งรกรากในอวกาศของมนุษย์ได้ในที่สุด
ในอนาคตอันไกล บ้านเหล่านี้จะช่วยให้สิ่งมีชีวิตอยู่รอดในอวกาศได้
เวลาโพสต์: Jun-14-2023