پتانسیل جدید چاپ سه بعدی: مهاجرت بین ستاره ای و توسعه فضا

با استفاده از فناوری کامپیوتری سه بعد، فناوری تولید افزودنی اشیاء ساختمانی توسط تجمع لایه به لایه مواد به طور فزاینده ای در حال تبدیل شدن به خط مقدم ساخت تجهیزات فضایی است. دانشمندان بر این باورند که چاپ سه بعدی می تواند توسعه فضای فرازمینی را به طور قابل توجهی تسریع کند. چگونه "فضاسازی" چاپگرهای سه بعدی را بهینه سازی کنیم و ایمنی قطعات چاپی را بهبود ببخشیم؟ چگونه از فناوری های جدید برای ایجاد سیستم های نوری فوق سبک برای نانوسات ها استفاده کنیم؟ محققان دانشگاه های روسیه (اعضای پروژه "5-100" آخرین تحولات خود را معرفی کردند.

یکی از مزایای اصلی روش جدید این است که یک چاپگر سه بعدی می تواند جایگزین تعداد زیادی از تجهیزات در یک کارخانه سنتی شود. در نوامبر ۲۰۲۰ مجله فوربز شامل فناوری تولید افزودنی (از افزودنی های لاتین-add) در فهرست پنج فناوری جدید انقلابی شایسته توجه کارآفرینان بود. نویسنده مقاله اشاره کرد که فناوری تولید افزودنی مزایای عظیمی را برای صنعت هوافضا به ارمغان خواهد آورد. در این زمینه معمولاً وزن محصول مهم ترین عامل مؤثر بر هزینه های حمل و نقل است.

چاپ سه بعدی فضا می تواند به طور قابل توجهی توسعه فضای فرازمینی را تسریع کند؛ تکنولوژی تولید افزودنی نیز به طور فعال در صنعت ساخت موشک نفوذ می کند.

در ۳۰ مه ۲۰۲۰ کلاه ایمنی فضانوردان رابرت بیکن و داگ هرلی که در پرتاب فضاپیمای خدمه دراگون و موشک فالکون ۹ شرکت داشتند با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی طراحی شدند.

الون ماسک، رئیس شرکت هوافضای اسپیس ایکس گفت که با استفاده از چاپ سه بعدی می توان قطعات موتور با کارایی بالا با دوام ساخت و زمان و پول صرف شده تنها بخش کوچکی از استفاده از روش های ساخت سنتی است. در سال ۲۰۱۴ اسپیس ایکس پیش از این اولین جزء چاپی سه بعدی را ساخته بود.

شرکت هوافضای "بلو الاست" جف بزوس از فناوری ساخت افزودنی برای چاپ اجزای موتور BE-4 استفاده می کند. شرکت های راکتی جوان از آمریکا (فضای نسبیتی) و بریتانیا (Obex) نیز قصد دارند از امکانات چاپگرهای سه بعدی بهره کامل ببرند.

بهبود ایمنی اجزای سه بعد

در عین حال حتی کوچکترین نقص ها در اجزای چاپی سه بعدی نیز برای ایمنی تجهیزات ایجاد شده حیاتی است. دانشمندان دانشگاه ملی تحقیقات فناوری MISIS (NUST MISIS) توانستند فناوری چاپ سه بعدی آلومینیوم را بهبود بخشند و سختی محصول را 1.5 برابر افزایش دهند.

محققان NUST MISIS بر این باورند که خطر اصلی چنین نقص هایی، متخلخل بودن بالای مواد است، یکی از دلایل آن ویژگی های پودر آلومینیوم اصلی است. دانشمندان برای اطمینان از یکنواخت و متراکم بودن ریزساختار محصول چاپ شده، روشی را برای اضافه کردن نانوفیبرهای کربنی به پودر آلومینیوم پیشنهاد کرده اند تا از متخلخل بودن کم ماده اطمینان حاصل کنند و سختی آن را 1.5 برابر افزایش دهند. نتایج تحقیق در مجله "ارتباطات کامپوزیت" منتشر می شود.

پروفسور الکساندر گروموف از NUST MISIS گفت: نانوفیبرهای کربنی هدایت حرارتی بالایی دارند که به به حداقل رساندن گرادیان دما بین لایه های چاپ در طول مرحله ذوب لیزر انتخابی در طول فرایند سنتز محصول کمک می کند. بنابراین ماده همگن بودن ریز ساختار را می توان تقریباً به طور کامل حذف کرد.»

نانوفیبرهای کربنی مورد استفاده محصول کناری فرآوری گاز مرتبط با میدان نفتی هستند. کربن در طول فرایند تجزیه کاتالیزوری خود به صورت نانوفیبر بر روی ذرات فلزی پراکنده شده توسط کاتالیزور تجمع می کند. دانشمندان همچنین خاطر نشان کردند که گاز مرتبط معمولا در میادین نفت و گاز «تهویه و سوخته» می شود و باعث آسیب رساندن به محیط زیست می شود، بنابراین استفاده از این روش جدید اهمیت حفاظت از محیط زیست مهمی دارد.

بهینه سازی "فضاسازی"

الون ماسک و دیگر کارشناسان متقاعد شده اند که چاپ سه بعدی می تواند به توسعه فضایی آینده مانند استعمار مریخ کمک کند.

برای زنده ماندن در مریخ، شما باید قادر به شروع تولید وجود دارد، و بهترین استفاده از مواد محلی است. چاپگر سه بعدی می تواند برای ساخت یک پایه و ساخت یک محیط زندگی در آنجا مورد استفاده قرار گیرد.

حتی در حال حاضر در کار ایستگاه فضایی بین المللی (ISS)، مشکل به دست آوردن مواد هنوز جدی است و فضانوردان فضاپیمای باری بعدی باید چند ماه صبر کنند. گاهی اوقات قطعات کوچک مهم آسیب می بینند یا از دست می دهند، به عنوان مثال، پلاگین پلاستیکی تماس الکتریکی اغلب از دست می رود. در این حالت چاپگرهای سه بعدی می توانند با چاپ محصولات پلاستیکی در فضا این مشکل را حل کنند. در آینده در طول پروازهای بین ستاره ای مسائل در دسترس بودن حادتر خواهد شد و تقاضا برای چنین چاپگرهایی به ناچار افزایش خواهد یافت.

در سال ۲۰۱۶ ناسا Made in Space را سفارش داد تا یک چاپگر سه بعدی دائمی را در ایستگاه فضایی بین المللی نصب کند تا ابزار، تجهیزات و هر چیز دیگری که فضانوردان ممکن است به آن نیاز داشته باشد تولید کند. متعاقباً برخی از شرکت های اروپایی، چینی و دیگر شرکت ها نیز ساخت ماشین های مشابه را اعلام کردند.

این محقق که چاپگر سه بعدی، دانشمند دانشگاه فناوری تومسک (TPU) را توسعه داد، گفت که چاپگر سه بعدی تولید شده در روسیه در سال 2021 وارد فضا خواهد شد. مزیت آن سیستم مدولار پیشرفته تر است که می تواند ارتقاء تجهیزات و تعمیر و نگهداری تحقق است. بنابراین وقتی مواد چاپ سه بعدی از پلاستیک های ساده به ابرسازه ها یا مواد کامپوزیتی تغییر می کنند، مهندسان مجبور ن خواهند بود امروز مانند همکاران آمریکایی خود چاپگرهای جدیدی بسازند و سپس آن ها را به ISS تحویل دهند.

واسیلی فدوروف، رئیس آزمایشگاه علوم و تولید فناوری تولید مدرن TPU در این مورد می گوید: «هم اکنون چیدمان کار چاپگر سه بعدی در مرحله نهایی قرار دارد. تجهیزات ارسالی به ISS مقاومت شدیدی در برابر ماشین آلات، آب و هوا و بارهای دیگر دارند. مورد نیاز. علاوه بر این، برای اطمینان از اینکه چاپگر سه بعدی برای فضانوردان کاملاً امن است. حالا همه اینها تحت بازرسی است و یک سری آزمایش ها و بازرسی ها انجام شده است. در عین حال نرم افزاری که به طور خاص برای چاپگر راه اندازی شده است، بهبود یافته است.»

ایجاد سیستم های نوری فوق سبک برای نانو ذرات

امکان چاپ سه بعدی به دانشمندان دانشگاه سامارا این امکان را می دهد تا یک سیستم نوری فوق سبک منحصر به فرد برای نانواساتلی ها با اپتیک پراش ایجاد کنند. محققان می گویند این اولین لنز جهان با اپتیک پراش خواهد بود که وارد فضا می شود.

هسته سیستم نوری لنز پراش هواپیما است که در دانشگاه توسعه یافته است که ویژگی های منحصر به فردی دارد. لنز مبتنی بر این لنز جایگزین سیستم عدسی لنز دوربرد مدرن می شود و ویژگی های آن سبک وزن (با اجزای نوری با وزن کمتر از ۱۰۰ گرم) و اندازه کوچک است.

لنز دارای پوسته شکل بیونیک نوآورانه است و با بهترین تکنولوژی برای به حداقل رساندن وزن با حفظ ویژگی های قدرت طراحی شده است. شکل خارجی پیچیده و ساختار داخلی اجزای فضاپیما سه بعدی چاپ شده بر روی تجهیزات همجوشی لیزر انتخابی SLM280HL است.

به گفته دانشمندان، به منظور کاهش وزن قطعات تا حد امکان، بهینه سازی تاپولوژی در ساختار داخلی آن انجام شده است که در نتیجه آن بلوک های لانه زنبوری ویژه ای اضافه شده است. اندازه قسمت ۷۰٫۸۰×۱۰۰ × میلی متر است. با توجه به استفاده از تکنولوژی تولید افزودنی، وزن آن حدود ۴۰٪ سبک تر از قطعات مشابه تولید شده توسط روش های سنتی است.

ویتالی اسمالوف، دانشیار دفتر تدریس و تحقیقات فناوری تولید موتور در دانشگاه سامارا در این مورد می گوید: «پوسته لنز از پودر آلومینیوم AlSi10Mg ساخته شده است. Alloy تولید شده در روسیه از شهرت بالایی هم در روسیه و هم در خارج از کشور برخوردار است. در زمینه هوافضا و هوانوردی، وزن ویژگی اصلی است و صنعت در تلاش برای کاهش این شاخص بوده است.»

دانشمندان بهینه سازی تاپولوژی چند مرحله ای ساختار اصلی را انجام دادند، اشکال متعددی را به دست آورد و تجزیه و تحلیل کردند.

آنتون آگاپوویچ، پژوهشگر دانشگاه سامارا در این مورد می گوید: «ما با کارشناسان در زمینه بهینه سازی تاپولوژی CADFEM CIS و فناوری ساخت افزودنی همکاری کرده ایم و کارهای زیادی برای به دست آوردن نوع جدیدی از ساختار برای پاسخگویی به نیازهای صنعت هوافضای جهان الزامات مدرن انجام داده ایم.»

به گفته دانشمندان، محصولات مشابهی مانند لنز CubeSat Gecko Imager (Gecko Imager)، ۲۳٬۰۰۰ یورو هزینه دارند و قیمت سیستم نوری که در حال توسعه هستند بسیار پایین تر خواهد بود.

طرح «۵ تا ۱۰۰» که در چارچوب پروژه ملی «آموزش» اجرا شد، هدف آن کمک به دانشگاه های روسیه برای افزایش پتانسیل تحقیقاتی علمی خود و بهبود موقعیت رقابتی آن ها در بازار خدمات آموزش جهانی است.