Sinds de 20e eeuw is de mensheid gefascineerd door de ruimte en het ontdekken van wat er zich buiten de aarde bevindt. Grote organisaties zoals NASA en ESA hebben een voortrekkersrol gespeeld in de ruimteverkenning, en 3D-printen speelt hierin een belangrijke rol. Dankzij de mogelijkheid om snel en tegen lage kosten complexe onderdelen te produceren, wint deze ontwerptechnologie steeds meer aan populariteit bij bedrijven. Het maakt de creatie van talloze toepassingen mogelijk, zoals satellieten, ruimtepakken en raketonderdelen. Volgens SmarTech zal de marktwaarde van additive manufacturing in de private ruimtevaartindustrie naar verwachting € 2,1 miljard bereiken in 2026. Dit roept de vraag op: hoe kan 3D-printen de mensheid helpen excelleren in de ruimte?
Aanvankelijk werd 3D-printen vooral gebruikt voor snelle prototyping in de medische, automobiel- en ruimtevaartindustrie. Naarmate de technologie zich echter verder heeft ontwikkeld, wordt deze steeds vaker ingezet voor eindproducten. Metaaladditieve productietechnologie, met name L-PBF, heeft de productie mogelijk gemaakt van diverse metalen met eigenschappen en duurzaamheid die geschikt zijn voor extreme omstandigheden in de ruimte. Andere 3D-printtechnologieën, zoals DED, binder jetting en extrusie, worden ook gebruikt bij de productie van ruimtevaartcomponenten. De afgelopen jaren zijn er nieuwe bedrijfsmodellen ontstaan, waarbij bedrijven zoals Made in Space en Relativity Space 3D-printtechnologie gebruiken om ruimtevaartcomponenten te ontwerpen.
Relativity Space ontwikkelt een 3D-printer voor de lucht- en ruimtevaartindustrie.
3D-printtechnologie in de lucht- en ruimtevaart
Nu we ze hebben geïntroduceerd, laten we de verschillende 3D-printtechnologieën die in de lucht- en ruimtevaartindustrie worden gebruikt eens nader bekijken. Allereerst is het belangrijk te vermelden dat metaaladditieve productie, met name L-PBF, de meest gebruikte technologie in deze sector is. Bij dit proces wordt laserenergie gebruikt om metaalpoeder laagje voor laagje te smelten. Het is bijzonder geschikt voor het produceren van kleine, complexe, precieze en op maat gemaakte onderdelen. Lucht- en ruimtevaartfabrikanten kunnen ook profiteren van DED, waarbij metaaldraad of -poeder wordt afgezet. Deze techniek wordt voornamelijk gebruikt voor het repareren, coaten of produceren van op maat gemaakte metalen of keramische onderdelen.
Binder jetting is daarentegen, hoewel voordelig qua productiesnelheid en lage kosten, niet geschikt voor de productie van hoogwaardige mechanische onderdelen, omdat het nabewerkingsstappen vereist voor versterking, wat de productietijd van het eindproduct verlengt. Extrusietechnologie is ook effectief in de ruimte. Het is belangrijk om te vermelden dat niet alle polymeren geschikt zijn voor gebruik in de ruimte, maar hoogwaardige kunststoffen zoals PEEK kunnen door hun sterkte sommige metalen onderdelen vervangen. Dit 3D-printproces is echter nog niet wijdverspreid, maar kan door het gebruik van nieuwe materialen een waardevolle aanwinst worden voor ruimteverkenning.
Laserpoederbedfusie (L-PBF) is een veelgebruikte technologie in 3D-printen voor de lucht- en ruimtevaart.
Potentieel van ruimtematerialen
De ruimtevaartindustrie onderzoekt nieuwe materialen via 3D-printing en stelt innovatieve alternatieven voor die de markt mogelijk op zijn kop zetten. Hoewel metalen zoals titanium, aluminium en nikkel-chroomlegeringen altijd de hoofdrol hebben gespeeld, zou een nieuw materiaal binnenkort wel eens de aandacht kunnen trekken: maanregoliet. Maanregoliet is een laag stof die de maan bedekt, en ESA heeft de voordelen aangetoond van de combinatie ervan met 3D-printing. Advenit Makaya, senior manufacturing engineer bij ESA, beschrijft maanregoliet als vergelijkbaar met beton, voornamelijk bestaande uit silicium en andere chemische elementen zoals ijzer, magnesium, aluminium en zuurstof. ESA werkt samen met Lithoz om kleine functionele onderdelen zoals schroeven en tandwielen te produceren met behulp van gesimuleerd maanregoliet met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met echt maanstof.
De meeste processen die betrokken zijn bij de productie van maanregoliet maken gebruik van warmte, waardoor het compatibel is met technologieën zoals SLS en poederbindingsprintoplossingen. ESA gebruikt ook D-Shape-technologie met als doel massieve onderdelen te produceren door magnesiumchloride te mengen met materialen en dit te combineren met magnesiumoxide dat in het gesimuleerde monster aanwezig is. Een van de belangrijkste voordelen van dit maanmateriaal is de fijnere printresolutie, waardoor onderdelen met de hoogste precisie kunnen worden geproduceerd. Deze eigenschap zou de belangrijkste troef kunnen worden bij het uitbreiden van het toepassingsgebied en de productie van componenten voor toekomstige maanbases.
Maanregoliet is overal
Er bestaat ook Marsregoliet, oftewel ondergronds materiaal dat op Mars wordt gevonden. Internationale ruimtevaartorganisaties kunnen dit materiaal momenteel niet winnen, maar dat heeft wetenschappers er niet van weerhouden de mogelijkheden ervan te onderzoeken voor bepaalde ruimtevaartprojecten. Onderzoekers gebruiken gesimuleerde monsters van dit materiaal en combineren het met een titaniumlegering om gereedschap of raketonderdelen te produceren. De eerste resultaten wijzen erop dat dit materiaal een hogere sterkte biedt en apparatuur beschermt tegen roest en stralingsschade. Hoewel deze twee materialen vergelijkbare eigenschappen hebben, is Marsregoliet nog steeds het meest onderzochte materiaal. Een ander voordeel is dat deze materialen ter plaatse kunnen worden geproduceerd, zonder dat er grondstoffen van de aarde hoeven te worden aangevoerd. Bovendien is regoliet een onuitputtelijke materiaalbron, wat schaarste helpt voorkomen.
De toepassingen van 3D-printtechnologie in de lucht- en ruimtevaartindustrie
De toepassingen van 3D-printtechnologie in de ruimtevaartindustrie variëren afhankelijk van het specifieke proces. Zo kan laserpoederbedfusie (L-PBF) worden gebruikt voor de productie van complexe onderdelen voor korte termijn, zoals gereedschapssystemen of reserveonderdelen voor ruimtevaartuigen. Launcher, een startup uit Californië, gebruikte de saffier-metaal 3D-printtechnologie van Velo3D om zijn E-2 vloeibare raketmotor te verbeteren. Het proces van de fabrikant werd gebruikt om de inductieturbine te creëren, die een cruciale rol speelt bij het versnellen en aandrijven van LOX (vloeibare zuurstof) in de verbrandingskamer. De turbine en sensor werden beide met 3D-printtechnologie geprint en vervolgens geassembleerd. Dit innovatieve onderdeel zorgt voor een grotere vloeistofstroom en meer stuwkracht, waardoor het een essentieel onderdeel van de motor is.
Velo3D heeft bijgedragen aan het gebruik van PBF-technologie bij de productie van de E-2 vloeibare raketmotor.
Additieve productie kent brede toepassingen, waaronder de productie van zowel kleine als grote structuren. Zo kunnen 3D-printtechnologieën zoals de Stargate-oplossing van Relativity Space worden gebruikt voor de fabricage van grote onderdelen zoals raketbrandstoftanks en propellerbladen. Relativity Space heeft dit bewezen met de succesvolle productie van de Terran 1, een raket die bijna volledig 3D-geprint is, inclusief een brandstoftank van enkele meters lang. De eerste lancering op 23 maart 2023 toonde de efficiëntie en betrouwbaarheid van additieve productieprocessen aan.
Extrusiegebaseerde 3D-printtechnologie maakt het ook mogelijk om onderdelen te produceren met hoogwaardige materialen zoals PEEK. Componenten van deze thermoplast zijn al in de ruimte getest en werden op de Rashid-rover geplaatst als onderdeel van de maanmissie van de Verenigde Arabische Emiraten. Het doel van deze test was om de weerstand van PEEK tegen extreme maanomstandigheden te evalueren. Indien succesvol, zou PEEK metalen onderdelen kunnen vervangen in situaties waar metalen onderdelen breken of materialen schaars zijn. Bovendien kunnen de lichtgewicht eigenschappen van PEEK van waarde zijn bij ruimteverkenning.
3D-printtechnologie kan worden gebruikt om diverse onderdelen voor de lucht- en ruimtevaartindustrie te produceren.
Voordelen van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaartindustrie
De voordelen van 3D-printen in de ruimtevaartindustrie omvatten een verbeterd uiterlijk van onderdelen in vergelijking met traditionele productiemethoden. Johannes Homa, CEO van de Oostenrijkse 3D-printerfabrikant Lithoz, stelde dat "deze technologie onderdelen lichter maakt". Dankzij de ontwerpvrijheid zijn 3D-geprinte producten efficiënter en vereisen ze minder grondstoffen. Dit heeft een positieve impact op de milieubelasting van de productie van onderdelen. Relativity Space heeft aangetoond dat additive manufacturing het aantal benodigde componenten voor de fabricage van ruimtevaartuigen aanzienlijk kan verminderen. Voor de Terran 1-raket werden 100 onderdelen bespaard. Bovendien biedt deze technologie aanzienlijke voordelen op het gebied van productiesnelheid, waarbij de raket in minder dan 60 dagen werd voltooid. Ter vergelijking: de fabricage van een raket met traditionele methoden kan meerdere jaren in beslag nemen.
Wat betreft grondstoffenbeheer kan 3D-printen materiaal besparen en in sommige gevallen zelfs afvalrecycling mogelijk maken. Bovendien kan additive manufacturing een waardevolle troef worden voor het verminderen van het startgewicht van raketten. Het doel is om het gebruik van lokale materialen, zoals regoliet, te maximaliseren en het transport van materialen binnen het ruimtevaartuig te minimaliseren. Hierdoor kan het volstaan met een 3D-printer die na de reis alles ter plaatse kan produceren.
Made in Space heeft al een van hun 3D-printers naar de ruimte gestuurd voor testdoeleinden.
Beperkingen van 3D-printen in de ruimte
Hoewel 3D-printen veel voordelen heeft, is de technologie nog relatief nieuw en kent ze beperkingen. Advenit Makaya stelde: "Een van de grootste problemen met additive manufacturing in de lucht- en ruimtevaartindustrie is procesbeheer en -validatie." Fabrikanten kunnen in het laboratorium de sterkte, betrouwbaarheid en microstructuur van elk onderdeel testen vóór de validatie, een proces dat bekend staat als niet-destructief onderzoek (NDT). Dit kan echter tijdrovend en kostbaar zijn, dus het uiteindelijke doel is om de noodzaak van deze tests te verminderen. NASA heeft onlangs een centrum opgericht om dit probleem aan te pakken, gericht op de snelle certificering van metalen componenten die met additive manufacturing zijn vervaardigd. Het centrum streeft ernaar digitale tweelingen te gebruiken om computermodellen van producten te verbeteren, waardoor ingenieurs de prestaties en beperkingen van onderdelen beter kunnen begrijpen, inclusief hoeveel druk ze kunnen weerstaan voordat ze breken. Op deze manier hoopt het centrum de toepassing van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaartindustrie te bevorderen, waardoor deze effectiever kan concurreren met traditionele productietechnieken.
Deze onderdelen zijn aan uitgebreide betrouwbaarheids- en sterkteproeven onderworpen.
Aan de andere kant is het verificatieproces anders als de productie in de ruimte plaatsvindt. Advenit Makaya van ESA legt uit: "Er is een techniek waarbij de onderdelen tijdens het printproces worden geanalyseerd." Deze methode helpt bepalen welke geprinte producten geschikt zijn en welke niet. Daarnaast is er een zelfcorrigerend systeem voor 3D-printers die bedoeld zijn voor de ruimte en dat momenteel wordt getest op metaalprinters. Dit systeem kan potentiële fouten in het productieproces identificeren en de parameters automatisch aanpassen om eventuele defecten in het onderdeel te corrigeren. Naar verwachting zullen deze twee systemen de betrouwbaarheid van geprinte producten in de ruimte verbeteren.
Om 3D-printoplossingen te valideren, hebben NASA en ESA normen vastgesteld. Deze normen omvatten een reeks tests om de betrouwbaarheid van onderdelen te bepalen. Ze houden rekening met poederbedfusietechnologie en worden bijgewerkt voor andere processen. Veel grote spelers in de materialenindustrie, zoals Arkema, BASF, Dupont en Sabic, bieden deze traceerbaarheid echter ook aan.
Wonen in de ruimte?
Met de vooruitgang in 3D-printtechnologie hebben we op aarde al veel succesvolle projecten gezien waarbij deze technologie wordt gebruikt om huizen te bouwen. Dit doet ons afvragen of dit proces in de nabije of verre toekomst ook gebruikt zou kunnen worden om bewoonbare structuren in de ruimte te bouwen. Hoewel wonen in de ruimte momenteel onrealistisch is, kan het bouwen van huizen, met name op de maan, nuttig zijn voor astronauten tijdens ruimtemissies. Het doel van de European Space Agency (ESA) is om koepels op de maan te bouwen met behulp van maanregoliet, dat gebruikt kan worden om muren of bakstenen te maken die astronauten beschermen tegen straling. Volgens Advenit Makaya van de ESA bestaat maanregoliet voor ongeveer 60% uit metaal en 40% uit zuurstof en is het een essentieel materiaal voor het overleven van astronauten, omdat het een onuitputtelijke bron van zuurstof kan leveren als het uit dit materiaal wordt gewonnen.
NASA heeft een subsidie van 57,2 miljoen dollar toegekend aan ICON voor de ontwikkeling van een 3D-printsysteem voor het bouwen van structuren op het maanoppervlak. Daarnaast werkt NASA samen met het bedrijf aan de creatie van een Mars Dune Alpha-habitat. Het doel is om de leefomstandigheden op Mars te testen door vrijwilligers een jaar lang in een habitat te laten verblijven, waarbij de omstandigheden op de Rode Planeet worden gesimuleerd. Deze inspanningen vormen cruciale stappen richting de directe constructie van 3D-geprinte structuren op de maan en Mars, wat uiteindelijk de weg zou kunnen vrijmaken voor menselijke ruimtekolonisatie.
In de verre toekomst zouden deze huizen het mogelijk kunnen maken om in de ruimte te overleven.
Geplaatst op: 14 juni 2023
