Desde o século XX, a raza humana estivo fascinada por explorar o espazo e comprender o que hai máis aló da Terra.Principais organizacións como a NASA e a ESA estiveron á vangarda da exploración espacial, e outro actor importante nesta conquista é a impresión 3D.Coa capacidade de producir rapidamente pezas complexas a baixo custo, esta tecnoloxía de deseño é cada vez máis popular nas empresas.Fai posible a creación de moitas aplicacións, como satélites, traxes espaciais e compoñentes de foguetes.De feito, segundo SmarTech, espérase que o valor de mercado da fabricación aditiva da industria espacial privada alcance os 2.100 millóns de euros en 2026. Isto suscita a pregunta: como pode a impresión 3D axudar aos humanos a destacar no espazo?
Inicialmente, a impresión 3D utilizábase principalmente para a creación rápida de prototipos nas industrias médica, automotriz e aeroespacial.Non obstante, a medida que a tecnoloxía se estendeu máis, estase a utilizar cada vez máis para compoñentes de finalidade.A tecnoloxía de fabricación aditiva de metais, en particular L-PBF, permitiu a produción dunha variedade de metais con características e durabilidade adecuadas para condicións extremas de espazo.Outras tecnoloxías de impresión 3D, como o DED, a inxección de aglutinantes e o proceso de extrusión, tamén se utilizan na fabricación de compoñentes aeroespaciais.Nos últimos anos xurdiron novos modelos de negocio, con empresas como Made in Space e Relativity Space que utilizan tecnoloxía de impresión 3D para deseñar compoñentes aeroespaciais.
Relativity Space desenvolvendo impresoras 3D para a industria aeroespacial
Tecnoloxía de impresión 3D no sector aeroespacial
Agora que os presentamos, vexamos máis de cerca as diversas tecnoloxías de impresión 3D utilizadas na industria aeroespacial.En primeiro lugar, hai que ter en conta que a fabricación de aditivos metálicos, especialmente a L-PBF, é a máis utilizada neste campo.Este proceso implica o uso de enerxía láser para fundir capa por capa de po metálico.É especialmente axeitado para producir pezas pequenas, complexas, precisas e personalizadas.Os fabricantes aeroespaciales tamén poden beneficiarse do DED, que consiste en depositar fío metálico ou po e utilízase principalmente para reparar, revestir ou producir pezas metálicas ou cerámicas personalizadas.
Pola contra, a inxección de aglutinantes, aínda que vantaxosa en termos de velocidade de produción e baixo custo, non é axeitada para producir pezas mecánicas de alto rendemento porque require pasos de reforzo posprocesado que aumentan o tempo de fabricación do produto final.A tecnoloxía de extrusión tamén é eficaz no ambiente espacial.Hai que ter en conta que non todos os polímeros son axeitados para o seu uso no espazo, pero os plásticos de alto rendemento como o PEEK poden substituír algunhas pezas metálicas debido á súa resistencia.Non obstante, este proceso de impresión 3D aínda non está moi estendido, pero pode converterse nun activo valioso para a exploración espacial mediante o uso de novos materiais.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) é unha tecnoloxía moi utilizada na impresión 3D para a industria aeroespacial.
Potencial dos materiais espaciais
A industria aeroespacial estivo explorando novos materiais a través da impresión 3D, propoñendo alternativas innovadoras que poden perturbar o mercado.Aínda que metais como o titanio, o aluminio e as aliaxes de níquel-cromo sempre foron o foco principal, un novo material pronto pode roubar o foco: o regolito lunar.O regolito lunar é unha capa de po que cobre a lúa, e a ESA demostrou os beneficios de combinalo coa impresión 3D.Advenit Makaya, enxeñeiro senior de fabricación da ESA, describe o regolito lunar como semellante ao formigón, composto principalmente por silicio e outros elementos químicos como ferro, magnesio, aluminio e osíxeno.A ESA asociouse con Lithoz para producir pequenas pezas funcionais, como parafusos e engrenaxes, utilizando regolito lunar simulado con propiedades similares ao po real da lúa.
A maioría dos procesos implicados na fabricación de regolito lunar utilizan calor, o que o fai compatible con tecnoloxías como SLS e solucións de impresión de unión en po.A ESA tamén está a utilizar a tecnoloxía D-Shape co obxectivo de producir pezas sólidas mesturando cloruro de magnesio con materiais e combinándoo co óxido de magnesio que se atopa na mostra simulada.Unha das vantaxes significativas deste material lunar é a súa resolución de impresión máis fina, que lle permite producir pezas coa maior precisión.Esta característica podería converterse no principal activo para ampliar a gama de aplicacións e compoñentes de fabricación para futuras bases lunares.
O regolito lunar está en todas partes
Tamén hai regolito marciano, referíndose ao material do subsolo atopado en Marte.Actualmente, as axencias espaciais internacionais non poden recuperar este material, pero isto non impediu que os científicos investiguen o seu potencial en determinados proxectos aeroespaciais.Os investigadores están a usar exemplares simulados deste material e combínao con aliaxe de titanio para producir ferramentas ou compoñentes de foguetes.Os resultados iniciais indican que este material proporcionará unha maior resistencia e protexerá o equipo da oxidación e da radiación.Aínda que estes dous materiais teñen propiedades similares, o regolito lunar segue sendo o material máis probado.Outra vantaxe é que estes materiais poden ser fabricados in situ sen necesidade de transportar materias primas desde a Terra.Ademais, o regolito é unha fonte material inesgotable, que axuda a previr a escaseza.
As aplicacións da tecnoloxía de impresión 3D na industria aeroespacial
As aplicacións da tecnoloxía de impresión 3D na industria aeroespacial poden variar dependendo do proceso específico utilizado.Por exemplo, a fusión en cama de po láser (L-PBF) pode usarse para fabricar pezas complicadas a curto prazo, como sistemas de ferramentas ou pezas de recambio espaciais.Launcher, unha startup con sede en California, utilizou a tecnoloxía de impresión 3D de metal zafiro de Velo3D para mellorar o seu motor de foguete líquido E-2.O proceso do fabricante utilizouse para crear a turbina de indución, que xoga un papel crucial na aceleración e conducción do LOX (osíxeno líquido) á cámara de combustión.A turbina e o sensor foron impresos mediante tecnoloxía de impresión 3D e despois ensamblados.Este innovador compoñente proporciona ao foguete un maior fluxo de fluído e un maior empuxe, polo que é unha parte esencial do motor
Velo3D contribuíu ao uso da tecnoloxía PBF na fabricación do motor de foguete líquido E-2.
A fabricación aditiva ten amplas aplicacións, incluíndo a produción de pequenas e grandes estruturas.Por exemplo, tecnoloxías de impresión 3D como a solución Stargate de Relativity Space pódense usar para fabricar pezas grandes como depósitos de combustible de foguetes e palas de hélice.Relativity Space demostrouno a través da produción exitosa do Terran 1, un foguete case totalmente impreso en 3D, que inclúe un depósito de combustible de varios metros de lonxitude.O seu primeiro lanzamento o 23 de marzo de 2023 demostrou a eficiencia e fiabilidade dos procesos de fabricación aditiva.
A tecnoloxía de impresión 3D baseada en extrusión tamén permite a produción de pezas utilizando materiais de alto rendemento como o PEEK.Os compoñentes feitos deste termoplástico xa foron probados no espazo e foron colocados no rover Rashid como parte da misión lunar dos Emiratos Árabes Unidos.O propósito desta proba era avaliar a resistencia do PEEK a condicións lunares extremas.Se ten éxito, PEEK pode substituír pezas metálicas en situacións nas que as pezas metálicas se rompen ou os materiais son escasos.Ademais, as propiedades lixeiras do PEEK poden ser de valor na exploración espacial.
A tecnoloxía de impresión 3D pódese usar para fabricar unha variedade de pezas para a industria aeroespacial.
Vantaxes da impresión 3D na industria aeroespacial
As vantaxes da impresión 3D na industria aeroespacial inclúen a mellora do aspecto final das pezas en comparación coas técnicas de construción tradicionais.Johannes Homa, CEO do fabricante austríaco de impresoras 3D Lithoz, afirmou que "esta tecnoloxía fai que as pezas sexan máis lixeiras".Debido á liberdade de deseño, os produtos impresos en 3D son máis eficientes e requiren menos recursos.Isto ten un impacto positivo no impacto ambiental da produción de pezas.Relativity Space demostrou que a fabricación aditiva pode reducir significativamente o número de compoñentes necesarios para fabricar naves espaciais.Para o foguete Terran 1, gardáronse 100 pezas.Ademais, esta tecnoloxía ten importantes vantaxes na velocidade de produción, sendo o foguete que se completa en menos de 60 días.Pola contra, a fabricación dun foguete utilizando métodos tradicionais podería levar varios anos.
En canto á xestión de recursos, a impresión 3D pode aforrar materiais e, nalgúns casos, incluso permitir a reciclaxe de residuos.Finalmente, a fabricación aditiva pode converterse nun activo valioso para reducir o peso ao despegue dos foguetes.O obxectivo é maximizar o uso de materiais locais, como o regolito, e minimizar o transporte de materiais dentro das naves espaciais.Isto fai posible levar só unha impresora 3D, que pode crear todo no lugar despois da viaxe.
Made in Space xa enviou unha das súas impresoras 3D ao espazo para probalas.
Limitacións da impresión 3D no espazo
Aínda que a impresión 3D ten moitas vantaxes, a tecnoloxía aínda é relativamente nova e ten limitacións.Advenit Makaya afirmou: "Un dos principais problemas coa fabricación aditiva na industria aeroespacial é o control e validación de procesos".Os fabricantes poden entrar no laboratorio e probar a resistencia, fiabilidade e microestrutura de cada peza antes da validación, un proceso coñecido como proba non destrutiva (NDT).Non obstante, isto pode ser tanto lento como caro, polo que o obxectivo final é reducir a necesidade destas probas.A NASA creou recentemente un centro para abordar este problema, centrado na certificación rápida de compoñentes metálicos fabricados mediante fabricación aditiva.O centro pretende utilizar xemelgos dixitais para mellorar os modelos informáticos dos produtos, o que axudará aos enxeñeiros a comprender mellor o rendemento e as limitacións das pezas, incluída a cantidade de presión que poden soportar antes da fractura.Ao facelo, o centro espera contribuír a promover a aplicación da impresión 3D na industria aeroespacial, facéndoa máis eficaz para competir coas técnicas de fabricación tradicionais.
Estes compoñentes foron sometidos a probas exhaustivas de fiabilidade e resistencia.
Por outra banda, o proceso de verificación é diferente se a fabricación se fai no espazo.Advenit Makaya da ESA explica: "Hai unha técnica que consiste en analizar as pezas durante a impresión".Este método axuda a determinar que produtos impresos son axeitados e cales non.Ademais, existe un sistema de autocorrección para impresoras 3D destinadas ao espazo e que se está probando en máquinas metálicas.Este sistema pode identificar posibles erros no proceso de fabricación e modificar automaticamente os seus parámetros para corrixir calquera defecto da peza.Espérase que estes dous sistemas melloren a fiabilidade dos produtos impresos no espazo.
Para validar as solucións de impresión 3D, a NASA e a ESA estableceron estándares.Estas normas inclúen unha serie de probas para determinar a fiabilidade das pezas.Consideran a tecnoloxía de fusión en leito de po e actualízanas para outros procesos.Non obstante, moitos dos principais actores da industria dos materiais, como Arkema, BASF, Dupont e Sabic, tamén proporcionan esta trazabilidade.
Vivir no espazo?
Co avance da tecnoloxía de impresión 3D, vimos moitos proxectos exitosos na Terra que usan esta tecnoloxía para construír casas.Isto fainos preguntarnos se este proceso podería usarse nun futuro próximo ou distante para construír estruturas habitables no espazo.Aínda que vivir no espazo é actualmente pouco realista, construír casas, especialmente na Lúa, pode ser beneficioso para os astronautas na execución de misións espaciais.O obxectivo da Axencia Espacial Europea (ESA) é construír cúpulas na Lúa utilizando regolito lunar, que se pode usar para construír muros ou ladrillos para protexer aos astronautas da radiación.Segundo Advenit Makaya da ESA, o regolito lunar está composto por preto dun 60% de metal e un 40% de osíxeno e é un material esencial para a supervivencia dos astronautas porque pode proporcionar unha fonte infinita de osíxeno se se extrae deste material.
A NASA concedeu unha subvención de 57,2 millóns de dólares a ICON para desenvolver un sistema de impresión 3D para construír estruturas na superficie lunar e tamén está colaborando coa compañía para crear un hábitat Mars Dune Alpha.O obxectivo é probar as condicións de vida en Marte facendo que voluntarios vivan nun hábitat durante un ano, simulando as condicións do Planeta Vermello.Estes esforzos representan pasos críticos para construír directamente estruturas impresas en 3D na Lúa e en Marte, que eventualmente poderían allanar o camiño para a colonización espacial humana.
Nun futuro distante, estas casas poderían permitir que a vida sobreviva no espazo.
Hora de publicación: 14-Xun-2023