นับตั้งแต่ศตวรรษที่ 20 มนุษยชาติต่างหลงใหลในการสำรวจอวกาศและทำความเข้าใจสิ่งที่อยู่นอกเหนือโลก องค์กรสำคัญอย่าง NASA และ ESA เป็นผู้นำในการสำรวจอวกาศ และอีกหนึ่งผู้เล่นสำคัญในการพิชิตครั้งนี้คือ การพิมพ์ 3 มิติ ด้วยความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อนได้อย่างรวดเร็วและต้นทุนต่ำ เทคโนโลยีการออกแบบนี้จึงได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้นในบริษัทต่างๆ ทำให้สามารถสร้างแอปพลิเคชันต่างๆ ได้มากมาย เช่น ดาวเทียม ชุดอวกาศ และชิ้นส่วนจรวด อันที่จริง ตามข้อมูลของ SmarTech มูลค่าตลาดของอุตสาหกรรมการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) ในภาคเอกชนด้านอวกาศคาดว่าจะสูงถึง 2.1 พันล้านยูโรภายในปี 2026 จึงเกิดคำถามว่า การพิมพ์ 3 มิติจะช่วยให้มนุษย์ประสบความสำเร็จในอวกาศได้อย่างไร?
ในระยะแรก การพิมพ์ 3 มิติถูกนำมาใช้เป็นหลักสำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมการแพทย์ ยานยนต์ และอวกาศ อย่างไรก็ตาม เมื่อเทคโนโลยีแพร่หลายมากขึ้น ก็มีการนำไปใช้กับชิ้นส่วนสำเร็จรูปมากขึ้นเรื่อยๆ เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยโลหะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง L-PBF ทำให้สามารถผลิตโลหะหลากหลายชนิดที่มีคุณสมบัติและความทนทานเหมาะสมกับสภาวะอวกาศที่รุนแรงได้ เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติอื่นๆ เช่น DED, การฉีดสารยึดเกาะ และกระบวนการอัดรีด ก็ถูกนำมาใช้ในการผลิตชิ้นส่วนอวกาศเช่นกัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โมเดลธุรกิจใหม่ๆ ได้เกิดขึ้น โดยบริษัทต่างๆ เช่น Made in Space และ Relativity Space ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในการออกแบบชิ้นส่วนอวกาศ
Relativity Space กำลังพัฒนาเครื่องพิมพ์ 3 มิติสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
เมื่อเราได้แนะนำเทคโนโลยีเหล่านี้ไปแล้ว ตอนนี้เรามาดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบต่างๆ ที่ใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศกันดีกว่า ประการแรก ควรทราบว่าการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยโลหะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง L-PBF เป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในสาขานี้ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการใช้พลังงานเลเซอร์ในการหลอมผงโลหะทีละชั้น เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็ก ซับซ้อน แม่นยำ และปรับแต่งได้ตามต้องการ ผู้ผลิตในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศยังสามารถได้รับประโยชน์จาก DED ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวางลวดหรือผงโลหะ และส่วนใหญ่ใช้สำหรับการซ่อมแซม การเคลือบ หรือการผลิตชิ้นส่วนโลหะหรือเซรามิกแบบกำหนดเอง
ในทางตรงกันข้าม การพิมพ์แบบ Binder Jetting แม้จะมีข้อดีในแง่ของความเร็วในการผลิตและต้นทุนต่ำ แต่ก็ไม่เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนเชิงกลประสิทธิภาพสูง เนื่องจากต้องมีขั้นตอนการเสริมความแข็งแรงหลังการผลิต ซึ่งจะเพิ่มเวลาในการผลิตผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เทคโนโลยีการอัดรีดก็มีประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมอวกาศเช่นกัน ควรสังเกตว่าไม่ใช่โพลิเมอร์ทุกชนิดที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในอวกาศ แต่พลาสติกประสิทธิภาพสูง เช่น PEEK สามารถใช้แทนชิ้นส่วนโลหะบางส่วนได้เนื่องจากความแข็งแรง อย่างไรก็ตาม กระบวนการพิมพ์ 3 มิตินี้ยังไม่แพร่หลายมากนัก แต่สามารถกลายเป็นทรัพย์สินที่มีค่าสำหรับการสำรวจอวกาศได้โดยการใช้วัสดุใหม่
เทคโนโลยี Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) เป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการพิมพ์ 3 มิติสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
ศักยภาพของวัสดุอวกาศ
อุตสาหกรรมการบินและอวกาศกำลังสำรวจวัสดุใหม่ๆ ผ่านการพิมพ์ 3 มิติ โดยนำเสนอทางเลือกใหม่ๆ ที่อาจพลิกโฉมตลาด ในขณะที่โลหะ เช่น ไทเทเนียม อลูมิเนียม และโลหะผสมนิกเกล-โครเมียม ได้รับความสนใจหลักมาโดยตลอด วัสดุใหม่ที่อาจดึงดูดความสนใจในไม่ช้าก็คือ ดินบนดวงจันทร์ (Lunar Regolith) ดินบนดวงจันทร์เป็นชั้นฝุ่นที่ปกคลุมดวงจันทร์ และ ESA ได้แสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของการผสมผสานดินบนดวงจันทร์เข้ากับการพิมพ์ 3 มิติ แอดเวนิต มาคายา วิศวกรการผลิตอาวุโสของ ESA อธิบายว่า ดินบนดวงจันทร์นั้นคล้ายกับคอนกรีต โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยซิลิคอนและธาตุเคมีอื่นๆ เช่น เหล็ก แมกนีเซียม อลูมิเนียม และออกซิเจน ESA ได้ร่วมมือกับ Lithoz เพื่อผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ใช้งานได้จริง เช่น สกรูและเฟือง โดยใช้ดินบนดวงจันทร์จำลองที่มีคุณสมบัติคล้ายกับฝุ่นบนดวงจันทร์จริง
กระบวนการส่วนใหญ่ในการผลิตดินบนดวงจันทร์ใช้ความร้อน ทำให้เข้ากันได้กับเทคโนโลยีต่างๆ เช่น SLS และโซลูชันการพิมพ์แบบเชื่อมผง ESA ยังใช้เทคโนโลยี D-Shape โดยมีเป้าหมายในการผลิตชิ้นส่วนแข็งโดยการผสมแมกนีเซียมคลอไรด์กับวัสดุและรวมเข้ากับแมกนีเซียมออกไซด์ที่พบในตัวอย่างจำลอง ข้อดีที่สำคัญอย่างหนึ่งของวัสดุบนดวงจันทร์นี้คือความละเอียดในการพิมพ์ที่สูงกว่า ทำให้สามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูงสุด คุณสมบัตินี้อาจกลายเป็นจุดแข็งหลักในการขยายขอบเขตการใช้งานและการผลิตชิ้นส่วนสำหรับฐานบนดวงจันทร์ในอนาคต
ดินบนดวงจันทร์มีอยู่ทุกหนทุกแห่ง
นอกจากนี้ยังมีเรโกลิธของดาวอังคาร ซึ่งหมายถึงวัสดุใต้พื้นผิวที่พบในดาวอังคาร ปัจจุบันหน่วยงานอวกาศระหว่างประเทศยังไม่สามารถเก็บวัสดุนี้ได้ แต่ก็ไม่ได้หยุดยั้งนักวิทยาศาสตร์จากการวิจัยศักยภาพของมันในโครงการด้านอวกาศบางโครงการ นักวิจัยกำลังใช้ตัวอย่างจำลองของวัสดุนี้และนำมาผสมกับโลหะผสมไทเทเนียมเพื่อผลิตเครื่องมือหรือชิ้นส่วนจรวด ผลลัพธ์เบื้องต้นบ่งชี้ว่าวัสดุนี้จะให้ความแข็งแรงสูงกว่าและปกป้องอุปกรณ์จากการเกิดสนิมและความเสียหายจากรังสี แม้ว่าวัสดุทั้งสองจะมีคุณสมบัติคล้ายกัน แต่เรโกลิธของดวงจันทร์ยังคงเป็นวัสดุที่ได้รับการทดสอบมากที่สุด ข้อดีอีกประการหนึ่งคือวัสดุเหล่านี้สามารถผลิตได้ในสถานที่โดยไม่จำเป็นต้องขนส่งวัตถุดิบจากโลก นอกจากนี้ เรโกลิธยังเป็นแหล่งวัสดุที่ไม่มีวันหมด ช่วยป้องกันการขาดแคลน
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศนั้นมีความหลากหลาย ขึ้นอยู่กับกระบวนการที่ใช้ ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีการหลอมผงด้วยเลเซอร์ (L-PBF) สามารถใช้ในการผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อนและใช้งานได้ในระยะสั้น เช่น ระบบเครื่องมือหรือชิ้นส่วนอะไหล่สำหรับยานอวกาศ บริษัท Launcher ซึ่งเป็นสตาร์ทอัพในแคลิฟอร์เนีย ได้ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะแซฟไฟร์ของ Velo3D เพื่อปรับปรุงเครื่องยนต์จรวดเหลว E-2 ของตน กระบวนการของ Velo3D ถูกนำมาใช้ในการสร้างกังหันเหนี่ยวนำ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการเร่งความเร็วและผลักดัน LOX (ออกซิเจนเหลว) เข้าสู่ห้องเผาไหม้ กังหันและเซ็นเซอร์แต่ละชิ้นถูกพิมพ์โดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ แล้วประกอบเข้าด้วยกัน ส่วนประกอบที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้ช่วยให้จรวดมีอัตราการไหลของของเหลวและแรงขับที่มากขึ้น ทำให้เป็นส่วนสำคัญของเครื่องยนต์
Velo3D มีส่วนร่วมในการนำเทคโนโลยี PBF มาใช้ในการผลิตเครื่องยนต์จรวดเหลว E-2
การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) มีการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการผลิตโครงสร้างขนาดเล็กและขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ เช่น โซลูชัน Stargate ของ Relativity Space สามารถนำมาใช้ผลิตชิ้นส่วนขนาดใหญ่ เช่น ถังเชื้อเพลิงจรวดและใบพัดจรวด Relativity Space ได้พิสูจน์สิ่งนี้แล้วผ่านการผลิตจรวด Terran 1 ที่ประสบความสำเร็จ ซึ่งเป็นจรวดที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติเกือบทั้งหมด รวมถึงถังเชื้อเพลิงที่มีความยาวหลายเมตร การปล่อยจรวดครั้งแรกเมื่อวันที่ 23 มีนาคม 2023 แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ
เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบอัดขึ้นรูปยังช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนโดยใช้วัสดุประสิทธิภาพสูง เช่น PEEK ได้ ชิ้นส่วนที่ทำจากเทอร์โมพลาสติกนี้ได้รับการทดสอบในอวกาศแล้ว และถูกนำไปติดตั้งบนยานสำรวจราชิด ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของภารกิจสำรวจดวงจันทร์ของสหรัฐอาหรับเอมิเรตส์ จุดประสงค์ของการทดสอบนี้คือเพื่อประเมินความทนทานของ PEEK ต่อสภาวะสุดขั้วบนดวงจันทร์ หากประสบความสำเร็จ PEEK อาจสามารถใช้แทนชิ้นส่วนโลหะได้ในกรณีที่ชิ้นส่วนโลหะแตกหักหรือวัสดุขาดแคลน นอกจากนี้ คุณสมบัติที่เบาของ PEEK อาจมีคุณค่าในการสำรวจอวกาศ
เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ สามารถนำมาใช้ในการผลิตชิ้นส่วนต่างๆ สำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศได้
ข้อดีของการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
ข้อดีของการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ได้แก่ รูปลักษณ์ของชิ้นส่วนที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับเทคนิคการผลิตแบบดั้งเดิม โยฮันเนส โฮมา ซีอีโอของบริษัทผู้ผลิตเครื่องพิมพ์ 3 มิติ Lithoz จากออสเตรีย กล่าวว่า "เทคโนโลยีนี้ทำให้ชิ้นส่วนมีน้ำหนักเบาขึ้น" เนื่องจากมีความอิสระในการออกแบบ ผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ด้วย 3 มิติจึงมีประสิทธิภาพมากขึ้นและใช้ทรัพยากรน้อยลง ซึ่งส่งผลดีต่อผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการผลิตชิ้นส่วน บริษัท Relativity Space ได้แสดงให้เห็นว่าการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) สามารถลดจำนวนชิ้นส่วนที่จำเป็นในการผลิตยานอวกาศได้อย่างมาก สำหรับจรวด Terran 1 สามารถประหยัดชิ้นส่วนได้ถึง 100 ชิ้น นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ยังมีข้อได้เปรียบอย่างมากในด้านความเร็วในการผลิต โดยสามารถสร้างจรวดให้เสร็จได้ภายในเวลาไม่ถึง 60 วัน ในขณะที่การผลิตจรวดด้วยวิธีการแบบดั้งเดิมอาจใช้เวลาหลายปี
ในด้านการจัดการทรัพยากร การพิมพ์ 3 มิติสามารถช่วยประหยัดวัสดุ และในบางกรณี ยังช่วยให้สามารถรีไซเคิลของเสียได้อีกด้วย สุดท้ายแล้ว การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) อาจกลายเป็นทรัพย์สินที่มีค่าสำหรับการลดน้ำหนักของจรวดขณะขึ้นบิน เป้าหมายคือการใช้ประโยชน์จากวัสดุในท้องถิ่นให้มากที่สุด เช่น ดินบนดวงจันทร์ และลดการขนส่งวัสดุภายในยานอวกาศให้น้อยที่สุด ซึ่งจะทำให้สามารถนำติดตัวไปเพียงแค่เครื่องพิมพ์ 3 มิติ ที่สามารถสร้างทุกอย่างได้ในสถานที่หลังจากเสร็จสิ้นภารกิจแล้ว
บริษัท Made in Space ได้ส่งเครื่องพิมพ์ 3 มิติเครื่องหนึ่งขึ้นไปในอวกาศเพื่อทดสอบแล้ว
ข้อจำกัดของการพิมพ์ 3 มิติในอวกาศ
แม้ว่าการพิมพ์ 3 มิติจะมีข้อดีมากมาย แต่เทคโนโลยีนี้ยังค่อนข้างใหม่และมีข้อจำกัด Advenit Makaya กล่าวว่า "หนึ่งในปัญหาหลักของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศคือการควบคุมกระบวนการและการตรวจสอบความถูกต้อง" ผู้ผลิตสามารถนำชิ้นส่วนแต่ละชิ้นไปทดสอบความแข็งแรง ความน่าเชื่อถือ และโครงสร้างจุลภาคในห้องปฏิบัติการก่อนการตรวจสอบความถูกต้อง ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการทดสอบแบบไม่ทำลาย (NDT) อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้อาจใช้เวลานานและมีค่าใช้จ่ายสูง ดังนั้นเป้าหมายสูงสุดคือการลดความจำเป็นในการทดสอบเหล่านี้ NASA เพิ่งจัดตั้งศูนย์เพื่อแก้ไขปัญหานี้ โดยมุ่งเน้นไปที่การรับรองชิ้นส่วนโลหะที่ผลิตโดยการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุอย่างรวดเร็ว ศูนย์แห่งนี้มีเป้าหมายที่จะใช้แบบจำลองดิจิทัล (digital twins) เพื่อปรับปรุงแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของผลิตภัณฑ์ ซึ่งจะช่วยให้วิศวกรเข้าใจประสิทธิภาพและข้อจำกัดของชิ้นส่วนได้ดีขึ้น รวมถึงแรงดันที่ชิ้นส่วนสามารถทนได้ก่อนที่จะแตกหัก ด้วยวิธีนี้ ศูนย์หวังว่าจะช่วยส่งเสริมการประยุกต์ใช้การพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแข่งขันกับเทคนิคการผลิตแบบดั้งเดิม
ชิ้นส่วนเหล่านี้ผ่านการทดสอบความน่าเชื่อถือและความแข็งแรงอย่างครอบคลุมแล้ว
ในทางกลับกัน กระบวนการตรวจสอบจะแตกต่างออกไปหากการผลิตเกิดขึ้นในอวกาศ แอดเวนิต มาคายา จาก ESA อธิบายว่า "มีเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์ชิ้นส่วนระหว่างการพิมพ์" วิธีนี้ช่วยในการพิจารณาว่าผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ออกมาชิ้นใดเหมาะสมและชิ้นใดไม่เหมาะสม นอกจากนี้ยังมีระบบแก้ไขตัวเองสำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ออกแบบมาสำหรับใช้ในอวกาศ ซึ่งกำลังอยู่ระหว่างการทดสอบกับเครื่องจักรโลหะ ระบบนี้สามารถระบุข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นในกระบวนการผลิตและปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์โดยอัตโนมัติเพื่อแก้ไขข้อบกพร่องใด ๆ ในชิ้นส่วน ระบบทั้งสองนี้คาดว่าจะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ออกมาในอวกาศ
เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของโซลูชันการพิมพ์ 3 มิติ NASA และ ESA ได้กำหนดมาตรฐานขึ้น มาตรฐานเหล่านี้รวมถึงการทดสอบหลายชุดเพื่อกำหนดความน่าเชื่อถือของชิ้นส่วน โดยคำนึงถึงเทคโนโลยีการหลอมผงโลหะ และกำลังปรับปรุงมาตรฐานให้ครอบคลุมกระบวนการอื่นๆ ด้วย อย่างไรก็ตาม บริษัทชั้นนำหลายแห่งในอุตสาหกรรมวัสดุ เช่น Arkema, BASF, Dupont และ Sabic ก็ได้ให้บริการการตรวจสอบย้อนกลับนี้เช่นกัน
อาศัยอยู่ในอวกาศ?
ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ เราได้เห็นโครงการที่ประสบความสำเร็จมากมายบนโลกที่ใช้เทคโนโลยีนี้ในการสร้างบ้าน ทำให้เราสงสัยว่ากระบวนการนี้อาจถูกนำมาใช้ในอนาคตอันใกล้หรือไกลเพื่อสร้างโครงสร้างที่อยู่อาศัยได้ในอวกาศหรือไม่ แม้ว่าการอาศัยอยู่ในอวกาศในปัจจุบันยังไม่สมจริง แต่การสร้างบ้าน โดยเฉพาะบนดวงจันทร์ อาจเป็นประโยชน์ต่อนักบินอวกาศในการปฏิบัติภารกิจในอวกาศ เป้าหมายขององค์การอวกาศยุโรป (ESA) คือการสร้างโดมบนดวงจันทร์โดยใช้ดินบนดวงจันทร์ ซึ่งสามารถนำมาใช้สร้างผนังหรืออิฐเพื่อปกป้องนักบินอวกาศจากรังสี ตามข้อมูลของ Advenit Makaya จาก ESA ดินบนดวงจันทร์ประกอบด้วยโลหะประมาณ 60% และออกซิเจน 40% และเป็นวัสดุที่จำเป็นต่อการอยู่รอดของนักบินอวกาศ เพราะสามารถให้แหล่งออกซิเจนที่ไม่มีวันหมดหากสกัดจากวัสดุนี้
นาซาได้มอบเงินทุนสนับสนุนจำนวน 57.2 ล้านดอลลาร์สหรัฐให้แก่บริษัท ICON เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติสำหรับการสร้างโครงสร้างบนพื้นผิวดวงจันทร์ และยังร่วมมือกับบริษัทในการสร้างที่อยู่อาศัยบนเนินทรายอัลฟาของดาวอังคาร เป้าหมายคือการทดสอบสภาพความเป็นอยู่บนดาวอังคารโดยให้ผู้1อาสาสมัครอาศัยอยู่ในที่อยู่อาศัยดังกล่าวเป็นเวลาหนึ่งปี เพื่อจำลองสภาพแวดล้อมบนดาวเคราะห์สีแดง ความพยายามเหล่านี้ถือเป็นก้าวสำคัญในการสร้างโครงสร้างที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติบนดวงจันทร์และดาวอังคารโดยตรง ซึ่งอาจปูทางไปสู่การตั้งถิ่นฐานในอวกาศของมนุษย์ในอนาคต
ในอนาคตอันไกลโพ้น บ้านเหล่านี้อาจช่วยให้สิ่งมีชีวิตสามารถดำรงชีวิตได้ในอวกาศ
วันที่โพสต์: 14 มิถุนายน 2566
