ศักยภาพใหม่ของการพิมพ์ 3 มิติ: การย้ายถิ่นฐานระหว่างดวงดาวและการพัฒนาพื้นที่

การใช้เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ 3 มิติเทคโนโลยีการผลิตแบบเสริมสำหรับการสร้างวัตถุโดยการสะสมวัสดุทีละชั้นกำลังกลายเป็นแนวหน้าของการผลิตอุปกรณ์อวกาศมากขึ้นเรื่อย ๆ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าการพิมพ์ 3 มิติสามารถเร่งการพัฒนาพื้นที่นอกโลกได้อย่างมีนัยสำคัญ วิธีเพิ่มประสิทธิภาพ" การผลิตพื้นที่" ของเครื่องพิมพ์ 3 มิติและปรับปรุงความปลอดภัยของส่วนประกอบการพิมพ์? จะใช้เทคโนโลยีใหม่ในการสร้างระบบแสงพิเศษสำหรับเซลล์นาโนได้อย่างไร? นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยรัสเซีย (สมาชิกของโครงการ" 5-100") แนะนำการพัฒนาล่าสุดของพวกเขา

ข้อดีหลักอย่างหนึ่งของวิธีการใหม่คือเครื่องพิมพ์ 3 มิติสามารถแทนที่อุปกรณ์จำนวนมากในโรงงานแบบเดิมได้ ในเดือนพฤศจิกายนปี 2020 นิตยสาร Forbes ได้รวมเทคโนโลยีการผลิตแบบเติม (จากภาษาละติน additivus-add) ไว้ในรายชื่อเทคโนโลยีใหม่ที่ปฏิวัติวงการ 5 รายการที่ควรค่าแก่ความสนใจของผู้ประกอบการ ผู้เขียนบทความชี้ให้เห็นว่าเทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งจะก่อให้เกิดประโยชน์อย่างมากต่ออุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ในสาขานี้น้ำหนักผลิตภัณฑ์มักเป็นปัจจัยสำคัญที่สุดที่มีผลต่อต้นทุนการขนส่ง

การพิมพ์ 3 มิติอวกาศสามารถเร่งการพัฒนาอวกาศนอกโลกได้อย่างมาก เทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งยังรุกหนักในอุตสาหกรรมการผลิตจรวด

ในวันที่ 30 พฤษภาคม 2020 หมวกกันน็อกของนักบินอวกาศ Robert Bacon และ Doug Hurley ที่เข้าร่วมในการปล่อยยานอวกาศ Crew Dragon และจรวด Falcon 9 ได้รับการปรับแต่งโดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ

Elon Musk หัวหน้า บริษัท SpaceX Aerospace Corporation กล่าวว่าการใช้การพิมพ์ 3 มิติทำให้สามารถผลิตชิ้นส่วนเครื่องยนต์ประสิทธิภาพสูงที่ทนทานได้และเวลาและเงินที่ใช้เป็นเพียงส่วนเล็ก ๆ ของการใช้วิธีการผลิตแบบดั้งเดิม ในปี 2014 SpaceX ได้ผลิตชิ้นส่วนการพิมพ์ 3 มิติชิ้นแรกแล้ว

GG quot; Blue Origin" บริษัท การบินและอวกาศ Jeff Bezos ใช้เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเพื่อพิมพ์ส่วนประกอบเครื่องยนต์ BE-4 บริษัท จรวดรุ่นใหม่จากสหรัฐอเมริกา (Relativistic Space) และสหราชอาณาจักร (Obex) ยังวางแผนที่จะใช้ประโยชน์จากความเป็นไปได้ของเครื่องพิมพ์สามมิติอย่างเต็มที่

ปรับปรุงความปลอดภัยของส่วนประกอบ 3D

ในขณะเดียวกันข้อบกพร่องที่เล็กที่สุดในชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติก็มีความสำคัญต่อความปลอดภัยของอุปกรณ์ที่สร้าง นักวิทยาศาสตร์จาก National Research University of Technology MISIS (NUST MISIS) สามารถปรับปรุงเทคโนโลยีการพิมพ์อลูมิเนียม 3 มิติและเพิ่มความแข็งของผลิตภัณฑ์ได้ 1.5 เท่า

นักวิจัย NUST MISIS เชื่อว่าความเสี่ยงหลักของข้อบกพร่องดังกล่าวคือความพรุนสูงของวัสดุสาเหตุหนึ่งคือลักษณะของผงอลูมิเนียมดั้งเดิม เพื่อให้แน่ใจว่าโครงสร้างจุลภาคของผลิตภัณฑ์สิ่งพิมพ์มีความสม่ำเสมอและหนาแน่นนักวิทยาศาสตร์ได้เสนอวิธีการเพิ่มเส้นใยนาโนคาร์บอนลงในผงอลูมิเนียมเพื่อให้แน่ใจว่าวัสดุมีความพรุนต่ำและเพิ่มความแข็งได้ 1.5 เท่า ผลการวิจัยตีพิมพ์ใน" Composites Communications" นิตยสาร.

ศาสตราจารย์ Alexander Gromov จาก NUST MISIS กล่าวว่า" เส้นใยนาโนคาร์บอนมีการนำความร้อนสูงซึ่งช่วยลดการไล่ระดับอุณหภูมิระหว่างชั้นการพิมพ์ในระหว่างขั้นตอนการหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ ดังนั้นวัสดุจึงสามารถกำจัดความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของโครงสร้างจุลภาคได้เกือบทั้งหมด"

เส้นใยนาโนคาร์บอนที่ใช้เป็นผลพลอยได้จากการแปรรูปก๊าซที่เกี่ยวข้องกับบ่อน้ำมัน ในระหว่างกระบวนการสลายตัวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอนจะสะสมในรูปแบบของเส้นใยนาโนบนอนุภาคโลหะที่กระจายตัวโดยตัวเร่งปฏิกิริยา นักวิทยาศาสตร์ยังชี้ให้เห็นว่าก๊าซที่เกี่ยวข้องมักจะเป็น" ระบายและเผา" ในแหล่งน้ำมันและก๊าซก่อให้เกิดอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมดังนั้นการใช้วิธีการใหม่นี้จึงมีความสำคัญในการปกป้องสิ่งแวดล้อม

เพิ่มประสิทธิภาพ" Space Manufacturing"

Elon Musk และผู้เชี่ยวชาญคนอื่น ๆ เชื่อมั่นว่าการพิมพ์ 3 มิติสามารถช่วยการพัฒนาพื้นที่ในอนาคตเช่นการตั้งอาณานิคมบนดาวอังคาร

เพื่อความอยู่รอดบนดาวอังคารคุณต้องสามารถเริ่มการผลิตที่นั่นและใช้วัสดุในท้องถิ่นให้ดีที่สุด เครื่องพิมพ์ 3 มิติสามารถใช้เพื่อสร้างฐานและสร้างสภาพแวดล้อมที่อยู่อาศัยได้

แม้ในขณะนี้ในการทำงานของสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ปัญหาในการได้รับวัสดุยังคงร้ายแรงและนักบินอวกาศของยานอวกาศขนส่งสินค้าลำต่อไปต้องรอหลายเดือน บางครั้งชิ้นส่วนขนาดเล็กที่สำคัญเสียหายหรือสูญหายเช่นปลั๊กพลาสติกของหน้าสัมผัสไฟฟ้ามักจะสูญหาย ในกรณีนี้เครื่องพิมพ์ 3 มิติสามารถแก้ปัญหานี้ได้โดยการพิมพ์ผลิตภัณฑ์พลาสติกในอวกาศ ในอนาคตระหว่างเที่ยวบินระหว่างดวงดาวปัญหาความพร้อมใช้งานจะรุนแรงมากขึ้นและความต้องการเครื่องพิมพ์ดังกล่าวจะเพิ่มขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ในปี 2559 NASA ได้มอบหมายให้ Made in Space ติดตั้งเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบถาวรบนสถานีอวกาศนานาชาติเพื่อผลิตเครื่องมืออุปกรณ์และสิ่งอื่น ๆ ที่นักบินอวกาศอาจต้องการ ต่อมา บริษัท ในยุโรปจีนและอื่น ๆ บางแห่งก็ประกาศผลิตเครื่องจักรที่คล้ายกัน

นักวิจัยผู้พัฒนาเครื่องพิมพ์ 3 มิติซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์จาก Tomsk University of Technology (TPU) กล่าวว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ผลิตในรัสเซียจะเข้าสู่อวกาศในปี 2564 ข้อดีของมันคือระบบโมดูลาร์ที่ทันสมัยกว่าซึ่งสามารถทำการอัพเกรดและบำรุงรักษาอุปกรณ์ได้ ดังนั้นเมื่อวัสดุการพิมพ์ 3 มิติเปลี่ยนจากพลาสติกธรรมดาไปเป็นโครงสร้างพิเศษหรือวัสดุผสมวิศวกรจะไม่ต้องสร้างเครื่องพิมพ์ใหม่เหมือนเพื่อนร่วมงานชาวอเมริกันในปัจจุบันแล้วส่งมอบให้กับ ISS

Vasily Fedorov หัวหน้าห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีการผลิตสมัยใหม่และการผลิตของ TPU&# 39 กล่าวว่า" ตอนนี้รูปแบบการทำงานของเครื่องพิมพ์ 3 มิติอยู่ในขั้นตอนสุดท้าย อุปกรณ์ที่ส่งไปยัง ISS มีความทนทานต่อเครื่องจักรสภาพอากาศและภาระอื่น ๆ อย่างเข้มงวด ความต้องการ นอกจากนี้เพื่อให้แน่ใจว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติปลอดภัยสำหรับนักบินอวกาศอย่างแน่นอน ขณะนี้ทั้งหมดนี้อยู่ระหว่างการตรวจสอบและได้ดำเนินการทดสอบและตรวจสอบหลายชุดแล้ว ในขณะเดียวกันซอฟต์แวร์ที่ตั้งค่าเฉพาะสำหรับเครื่องพิมพ์ก็ได้รับการปรับปรุง"

สร้างระบบแสงพิเศษสำหรับเซลล์นาโน

ความเป็นไปได้ของการพิมพ์ 3 มิติช่วยให้นักวิทยาศาสตร์จาก Samara University สามารถสร้างระบบออปติคอลที่มีน้ำหนักเบาพิเศษเฉพาะสำหรับเซลล์นาโนที่มีเลนส์กระจาย นักวิจัยกล่าวว่านี่จะเป็นเลนส์ตัวแรกของโลก&# 39 ที่มีเลนส์กระจายแสงเพื่อเข้าสู่อวกาศ

แกนหลักของระบบออปติคอลคือเลนส์กระจายแสงระนาบที่พัฒนาขึ้นในมหาวิทยาลัยซึ่งมีลักษณะเฉพาะ เลนส์ที่ใช้เลนส์นี้มาแทนที่ระบบเลนส์ของเลนส์ระยะไกลที่ทันสมัยและมีลักษณะเฉพาะคือน้ำหนักเบา (มีส่วนประกอบออพติคอลที่มีน้ำหนักน้อยกว่า 100 กรัม) และมีขนาดเล็ก

เลนส์มีเปลือกรูปทรงไบโอนิกที่เป็นนวัตกรรมใหม่และได้รับการออกแบบด้วยเทคโนโลยีที่ดีที่สุดเพื่อลดน้ำหนักให้เหลือน้อยที่สุดในขณะที่ยังคงรักษาลักษณะความแข็งแรงไว้ รูปร่างภายนอกที่ซับซ้อนและโครงสร้างภายในของชิ้นส่วนยานอวกาศเป็นแบบ 3 มิติที่พิมพ์บนอุปกรณ์เลเซอร์ฟิวชั่นแบบเลือก SLM280HL

ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าเพื่อลดน้ำหนักของส่วนประกอบให้มากที่สุดการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีได้ดำเนินการในโครงสร้างภายในซึ่งเป็นผลมาจากการเพิ่มบล็อกรังผึ้งพิเศษ ขนาดของชิ้นส่วน 70 × 80 × 100 มม. เนื่องจากใช้เทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มน้ำหนักจึงเบากว่าชิ้นส่วนที่คล้ายกันประมาณ 40% ที่ผลิตโดยวิธีการแบบดั้งเดิม

Vitaly Smailov รองศาสตราจารย์ในสำนักสอนและวิจัยด้านเทคโนโลยีการผลิตเครื่องยนต์ที่มหาวิทยาลัย Samara กล่าวว่า" เปลือกเลนส์ทำจากผงอลูมิเนียม AlSi10Mg โลหะผสมที่ผลิตในรัสเซียมีชื่อเสียงสูงทั้งในรัสเซียและต่างประเทศ ในด้านการบินและอวกาศและการบินน้ำหนักเป็นคุณสมบัติหลักและอุตสาหกรรมได้พยายามลดตัวบ่งชี้นี้"

นักวิทยาศาสตร์ทำการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีแบบหลายขั้นตอนของโครงสร้างดั้งเดิมได้รับและวิเคราะห์หลายรูปแบบ

Anton Agapovich นักวิจัยจาก University of Samara กล่าวว่า" เราได้ร่วมมือกับผู้เชี่ยวชาญในสาขาการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยี CADFEM CIS และเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่งและได้ทำงานมากมายเพื่อให้ได้โครงสร้างรูปแบบใหม่เพื่อตอบสนอง ความต้องการของอุตสาหกรรมการบินและอวกาศโลกข้อกำหนดสมัยใหม่"

ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าผลิตภัณฑ์ที่คล้ายคลึงกันเช่นเลนส์ของ CubeSat Gecko Imager (Gecko Imager) ราคา 23,000 ยูโรและราคาของระบบออพติคอลที่พวกเขากำลังพัฒนาจะต่ำกว่ามาก

GG quot; 5-100" แผนดำเนินการภายใต้กรอบของ&แห่งชาติ quot; การศึกษา" โครงการนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อช่วยให้มหาวิทยาลัยของรัสเซียเพิ่มศักยภาพในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และปรับปรุงตำแหน่งทางการแข่งขันในตลาดบริการการศึกษาระดับโลก