מאז המאה ה-20, המין האנושי מוקסם מחקר החלל והבנת מה יש מעבר לכדור הארץ.ארגונים גדולים כמו נאס"א ו-ESA היו בחזית חקר החלל, ושחקן חשוב נוסף בכיבוש זה הוא הדפסת תלת מימד.עם היכולת לייצר במהירות חלקים מורכבים בעלות נמוכה, טכנולוגיית עיצוב זו הופכת פופולרית יותר ויותר בחברות.זה מאפשר יצירת יישומים רבים, כגון לוויינים, חליפות חלל ורכיבי רקטות.למעשה, לפי SmarTech, שווי השוק של ייצור תוספים של תעשיית החלל הפרטית צפוי להגיע ל-2.1 מיליארד אירו עד 2026. זה מעלה את השאלה: כיצד יכולה הדפסת תלת מימד לעזור לבני אדם להצטיין בחלל?
בתחילה, הדפסת תלת מימד שימשה בעיקר ליצירת אב טיפוס מהיר בתעשיות הרפואה, הרכב והתעופה והחלל.עם זאת, ככל שהטכנולוגיה הפכה נפוצה יותר, היא נמצאת בשימוש יותר ויותר עבור רכיבים למטרות סופיות.טכנולוגיית ייצור תוספי מתכת, במיוחד L-PBF, אפשרה ייצור של מגוון מתכות בעלות מאפיינים ועמידות המתאימות לתנאי שטח קיצוניים.טכנולוגיות הדפסה תלת מימדיות אחרות, כגון DED, הזרקת קלסר ותהליך שחול, משמשות גם בייצור רכיבי תעופה וחלל.בשנים האחרונות צצו מודלים עסקיים חדשים, כאשר חברות כמו Made in Space ו-Relativity Space משתמשות בטכנולוגיית הדפסת תלת מימד לעיצוב רכיבי תעופה וחלל.
מדפסת תלת מימד מפתחת Relativity Space לתעשייה אווירית
טכנולוגיית הדפסת תלת מימד בחלל
כעת, לאחר שהצגנו אותם, בואו נסתכל מקרוב על טכנולוגיות ההדפסה התלת מימדיות השונות המשמשות בתעשיית התעופה והחלל.ראשית, יש לציין כי ייצור תוספי מתכת, במיוחד L-PBF, הוא הנפוץ ביותר בתחום זה.תהליך זה כולל שימוש באנרגיית לייזר לאיחוי אבקת מתכת שכבה אחר שכבה.הוא מתאים במיוחד לייצור חלקים קטנים, מורכבים, מדויקים ומותאמים אישית.יצרני תעופה וחלל יכולים גם ליהנות מ-DED, הכולל הפקדת חוטי מתכת או אבקה ומשמש בעיקר לתיקון, ציפוי או ייצור חלקי מתכת או קרמיקה מותאמים אישית.
לעומת זאת, הזרקת קלסר, על אף שהיא מועילה מבחינת מהירות הייצור והעלות הנמוכה, אינה מתאימה לייצור חלקים מכניים בעלי ביצועים גבוהים מכיוון שהיא דורשת שלבי חיזוק לאחר עיבוד המגדילים את זמן הייצור של המוצר הסופי.טכנולוגיית שחול יעילה גם בסביבת החלל.יש לציין כי לא כל הפולימרים מתאימים לשימוש בחלל, אך פלסטיקים בעלי ביצועים גבוהים כגון PEEK יכולים להחליף חלקי מתכת מסוימים בשל חוזקם.עם זאת, תהליך הדפסת תלת מימד זה עדיין אינו נפוץ במיוחד, אך הוא יכול להפוך לנכס בעל ערך עבור חקר החלל על ידי שימוש בחומרים חדשים.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) היא טכנולוגיה בשימוש נרחב בהדפסת תלת מימד לתעופה וחלל.
פוטנציאל של חומרי חלל
תעשיית התעופה והחלל חוקרת חומרים חדשים באמצעות הדפסת תלת מימד, והציעה חלופות חדשניות שעלולות לשבש את השוק.בעוד שמתכות כגון טיטניום, אלומיניום וסגסוגות ניקל-כרום תמיד היו המוקד העיקרי, חומר חדש עשוי לגנוב בקרוב את אור הזרקורים: רגולית הירח.הרגולית הירח היא שכבת אבק המכסה את הירח, ו-ESA הדגימה את היתרונות של שילובה עם הדפסת תלת מימד.Advenit Makaya, מהנדס ייצור בכיר של ESA, מתאר את הרגולית הירח כדומה לבטון, המורכב בעיקר מסיליקון ויסודות כימיים אחרים כגון ברזל, מגנזיום, אלומיניום וחמצן.ESA שיתפה פעולה עם Lithoz לייצור חלקים פונקציונליים קטנים כגון ברגים וגלגלי שיניים באמצעות רגולית ירח מדומה עם תכונות דומות לאבק הירח האמיתי.
רוב התהליכים המעורבים בייצור הרגולית הירח מנצלים חום, מה שהופך אותו לתואם לטכנולוגיות כגון SLS ופתרונות הדפסה מקשר אבקה.ESA משתמשת גם בטכנולוגיית D-Shape במטרה לייצר חלקים מוצקים על ידי ערבוב מגנזיום כלוריד עם חומרים ושילובו עם תחמוצת מגנזיום שנמצאת בדגימה המדומה.אחד היתרונות המשמעותיים של חומר הירח הזה הוא רזולוציית ההדפסה העדינה יותר שלו, המאפשרת לו לייצר חלקים בדיוק הגבוה ביותר.תכונה זו עשויה להפוך לנכס העיקרי בהרחבת מגוון היישומים וייצור רכיבים עבור בסיסי ירח עתידיים.
רגולית הירח נמצא בכל מקום
ישנו גם רגולית מאדים, המתייחס לחומר תת-קרקעי שנמצא על מאדים.נכון לעכשיו, סוכנויות חלל בינלאומיות לא יכולות לשחזר את החומר הזה, אבל זה לא מנע ממדענים לחקור את הפוטנציאל שלו בפרויקטים מסוימים של תעופה וחלל.חוקרים משתמשים בדגימות מדומה של חומר זה ומשלבים אותו עם סגסוגת טיטניום לייצור כלים או רכיבי רקטות.תוצאות ראשוניות מצביעות על כך שחומר זה יספק חוזק גבוה יותר ויגן על הציוד מפני נזקי חלודה וקרינה.למרות שלשני החומרים הללו תכונות דומות, הריגולית הירח הוא עדיין החומר הנבדק ביותר.יתרון נוסף הוא שניתן לייצר את החומרים הללו במקום ללא צורך בהובלת חומרי גלם מכדור הארץ.בנוסף, הרגולית הוא מקור חומרי בלתי נדלה, המסייע במניעת מחסור.
היישומים של טכנולוגיית הדפסת תלת מימד בתעשייה האווירית
היישומים של טכנולוגיית הדפסת תלת מימד בתעשייה האווירית יכולים להשתנות בהתאם לתהליך הספציפי שבו נעשה שימוש.לדוגמה, ניתן להשתמש בהיתוך לייזר אבקה (L-PBF) לייצור חלקים מורכבים לטווח קצר, כגון מערכות כלים או חלקי חילוף בחלל.Launcher, סטארט-אפ מקליפורניה, השתמש בטכנולוגיית ההדפסה התלת מימדית של Velo3D מתכת ספיר כדי לשפר את מנוע הטילים הנוזליים E-2 שלה.תהליך היצרן שימש ליצירת טורבינת האינדוקציה, אשר ממלאת תפקיד מכריע בהאצה והנעת LOX (חמצן נוזלי) לתוך תא הבעירה.הטורבינה והחיישן הודפסו כל אחד בטכנולוגיית הדפסה תלת מימדית ולאחר מכן הורכבו.רכיב חדשני זה מספק לרקטה זרימת נוזלים גדולה יותר ודחף גדול יותר, מה שהופך אותה לחלק חיוני מהמנוע
Velo3D תרם לשימוש בטכנולוגיית PBF בייצור מנוע הטיל הנוזלי E-2.
לייצור תוסף יש יישומים רחבים, כולל ייצור של מבנים קטנים וגדולים.לדוגמה, ניתן להשתמש בטכנולוגיות הדפסה תלת מימדיות כמו פתרון Stargate של Relativity Space לייצור חלקים גדולים כמו מיכלי דלק רקטות ולהבי מדחף.מרחב היחסות הוכיח זאת באמצעות ייצור מוצלח של ה-Terran 1, רקטה מודפסת כמעט לחלוטין בתלת מימד, כולל מיכל דלק באורך כמה מטרים.ההשקה הראשונה שלו ב-23 במרץ 2023, הדגימה את היעילות והאמינות של תהליכי ייצור תוספים.
טכנולוגיית הדפסת תלת מימד מבוססת אקסטרוזיה מאפשרת גם ייצור של חלקים באמצעות חומרים בעלי ביצועים גבוהים כגון PEEK.רכיבים העשויים מחומר תרמופלסטי זה כבר נבדקו בחלל והונחו על הרובר של ראשיד כחלק ממשימת הירח של איחוד האמירויות הערביות.מטרת בדיקה זו הייתה להעריך את ההתנגדות של PEEK לתנאי ירח קיצוניים.אם יצליח, ייתכן ש-PEEK יוכל להחליף חלקי מתכת במצבים שבהם חלקי מתכת נשברים או שאין בהם חומרים.בנוסף, המאפיינים הקלים של PEEK עשויים להיות בעלי ערך בחקר החלל.
ניתן להשתמש בטכנולוגיית הדפסת תלת מימד לייצור מגוון חלקים עבור התעשייה האווירית.
יתרונות הדפסת תלת מימד בתעשייה האווירית
היתרונות של הדפסת תלת מימד בתעשייה האווירית כוללים שיפור מראה סופי של חלקים בהשוואה לטכניקות בנייה מסורתיות.יוהנס הומה, מנכ"ל יצרנית מדפסות התלת מימד האוסטרית Lithoz, הצהיר כי "טכנולוגיה זו הופכת חלקים לקלים יותר".בשל חופש העיצוב, מוצרים מודפסים בתלת מימד יעילים יותר ודורשים פחות משאבים.יש לכך השפעה חיובית על ההשפעה הסביבתית של ייצור חלקים.תורת היחסות Space הוכיחה כי ייצור תוסף יכול להפחית באופן משמעותי את מספר הרכיבים הנדרשים לייצור חלליות.לרקטת Terran 1 נשמרו 100 חלקים.בנוסף, לטכנולוגיה זו יתרונות משמעותיים במהירות הייצור, כאשר השלמת הרקטה מתבצעת תוך פחות מ-60 יום.לעומת זאת, ייצור רקטה בשיטות מסורתיות עשוי להימשך מספר שנים.
לגבי ניהול משאבים, הדפסת תלת מימד יכולה לחסוך בחומרים ובמקרים מסוימים אף לאפשר מיחזור פסולת.לבסוף, ייצור תוסף עשוי להפוך לנכס בעל ערך להפחתת משקל ההמראה של רקטות.המטרה היא למקסם את השימוש בחומרים מקומיים, כמו רגוליט, ולמזער את הובלת החומרים בתוך חלליות.זה מאפשר לשאת רק מדפסת תלת מימד, שיכולה ליצור הכל באתר לאחר הטיול.
Made in Space כבר שלחה את אחת ממדפסות התלת מימד שלהם לחלל לבדיקה.
מגבלות של הדפסת תלת מימד בחלל
למרות שלהדפסת תלת מימד יתרונות רבים, הטכנולוגיה עדיין חדשה יחסית ויש לה מגבלות.Advenit Makaya ציינה, "אחת הבעיות העיקריות בייצור תוסף בתעשייה האווירית היא בקרת תהליכים ותיקוף."היצרנים יכולים להיכנס למעבדה ולבדוק את החוזק, המהימנות והמיקרו של כל חלק לפני אימות, תהליך המכונה בדיקה לא הרסנית (NDT).עם זאת, זה יכול להיות גם גוזל זמן וגם יקר, ולכן המטרה הסופית היא לצמצם את הצורך בבדיקות אלו.נאס"א הקימה לאחרונה מרכז לטיפול בנושא זה, המתמקד בהסמכה מהירה של רכיבי מתכת המיוצרים על ידי ייצור תוסף.המרכז שואף להשתמש בתאומים דיגיטליים כדי לשפר מודלים ממוחשבים של מוצרים, מה שיעזור למהנדסים להבין טוב יותר את הביצועים והמגבלות של חלקים, כולל כמה לחץ הם יכולים לעמוד לפני שבר.בכך, המרכז מקווה לעזור לקדם את היישום של הדפסת תלת מימד בתעשייה האווירית, ולהפוך אותה ליעילה יותר בתחרות עם טכניקות ייצור מסורתיות.
רכיבים אלו עברו בדיקות אמינות וחוזק מקיפות.
מצד שני, תהליך האימות שונה אם הייצור נעשה בחלל.Advenit Makaya של ESA מסביר, "יש טכניקה שכוללת ניתוח החלקים במהלך ההדפסה".שיטה זו עוזרת לקבוע אילו מוצרים מודפסים מתאימים ואילו לא.בנוסף, קיימת מערכת תיקון עצמי למדפסות תלת מימד המיועדות לחלל ונבדקת במכונות מתכת.מערכת זו יכולה לזהות שגיאות אפשריות בתהליך הייצור ולשנות אוטומטית את הפרמטרים שלה כדי לתקן פגמים בחלק.שתי מערכות אלו צפויות לשפר את האמינות של מוצרים מודפסים בחלל.
כדי לאמת פתרונות הדפסה תלת מימדיים, נאס"א ו-ESA קבעו סטנדרטים.תקנים אלה כוללים סדרה של בדיקות לקביעת מהימנות חלקים.הם רואים טכנולוגיית היתוך של מיטת אבקה ומעדכנים אותם לתהליכים אחרים.עם זאת, שחקנים מרכזיים רבים בתעשיית החומרים, כגון Arkema, BASF, Dupont ו- Sabic, מספקים גם את העקיבה הזו.
חיים בחלל?
עם התקדמות טכנולוגיית ההדפסה התלת מימדית, ראינו פרויקטים מוצלחים רבים על פני כדור הארץ המשתמשים בטכנולוגיה זו לבניית בתים.זה גורם לנו לתהות אם תהליך זה עשוי לשמש בעתיד הקרוב או הרחוק לבניית מבנים ראויים למגורים בחלל.למרות שהחיים בחלל אינם מציאותיים כרגע, בניית בתים, במיוחד על הירח, יכולה להועיל לאסטרונאוטים בביצוע משימות חלל.המטרה של סוכנות החלל האירופית (ESA) היא לבנות כיפות על הירח באמצעות רגוליט ירחי, שניתן להשתמש בהם לבניית קירות או לבנים כדי להגן על אסטרונאוטים מקרינה.לפי Advenit Makaya מ-ESA, הרגולית הירח מורכב מכ-60% מתכת ו-40% חמצן והוא חומר חיוני להישרדות האסטרונאוטים מכיוון שהוא יכול לספק מקור אינסופי של חמצן אם יופק מחומר זה.
נאס"א העניקה מענק של 57.2 מיליון דולר ל-ICON עבור פיתוח מערכת הדפסה תלת מימדית לבניית מבנים על פני הירח וכן משתפת פעולה עם החברה ליצירת בית גידול מאדים חולית אלפא.המטרה היא לבחון את תנאי החיים על מאדים על ידי כך שמתנדבים חיים בבית גידול במשך שנה אחת, תוך הדמיית תנאים על הכוכב האדום.מאמצים אלה מייצגים צעדים קריטיים לקראת בנייה ישירה של מבנים מודפסים בתלת-ממד על הירח ועל מאדים, מה שיכול בסופו של דבר לסלול את הדרך להתיישבות אנושית בחלל.
בעתיד הרחוק, הבתים הללו יוכלו לאפשר לחיים לשרוד בחלל.
זמן פרסום: 14 ביוני 2023