Sinds de 20e eeuw is de mensheid gefascineerd door het verkennen van de ruimte en het begrijpen van wat er buiten de aarde ligt.Grote organisaties zoals NASA en ESA lopen voorop op het gebied van ruimteverkenning, en een andere belangrijke speler in deze verovering is 3D-printen.Met de mogelijkheid om snel complexe onderdelen tegen lage kosten te produceren, wordt deze ontwerptechnologie steeds populairder bij bedrijven.Het maakt de creatie van vele toepassingen mogelijk, zoals satellieten, ruimtepakken en raketcomponenten.Volgens SmarTech zal de marktwaarde van additive manufacturing in de particuliere ruimtevaartindustrie in 2026 naar verwachting 2,1 miljard euro bedragen. Dit roept de vraag op: hoe kan 3D-printen mensen helpen uitblinken in de ruimte?
Aanvankelijk werd 3D-printen vooral gebruikt voor rapid prototyping in de medische, automobiel- en ruimtevaartindustrie.Naarmate de technologie echter meer wijdverbreid is geworden, wordt ze steeds meer gebruikt voor einddoelcomponenten.Additieve productietechnologie voor metaal, met name L-PBF, heeft de productie mogelijk gemaakt van een verscheidenheid aan metalen met eigenschappen en duurzaamheid die geschikt zijn voor extreme ruimteomstandigheden.Andere 3D-printtechnologieën, zoals DED, binderjetting en extrusieproces, worden ook gebruikt bij de vervaardiging van ruimtevaartcomponenten.In de afgelopen jaren zijn er nieuwe bedrijfsmodellen ontstaan, waarbij bedrijven als Made in Space en Relativity Space 3D-printtechnologie gebruiken om ruimtevaartcomponenten te ontwerpen.
Relativity Space ontwikkelt 3D-printer voor de luchtvaartindustrie
3D-printtechnologie in de ruimtevaart
Nu we ze hebben geïntroduceerd, laten we de verschillende 3D-printtechnologieën die in de lucht- en ruimtevaartindustrie worden gebruikt, nader bekijken.Ten eerste moet worden opgemerkt dat metaaladditief vervaardigen, met name L-PBF, op dit gebied het meest wordt gebruikt.Dit proces omvat het gebruik van laserenergie om metaalpoeder laag voor laag samen te smelten.Het is vooral geschikt voor het produceren van kleine, complexe, nauwkeurige en op maat gemaakte onderdelen.Lucht- en ruimtevaartfabrikanten kunnen ook profiteren van DED, waarbij metaaldraad of poeder wordt afgezet en dat voornamelijk wordt gebruikt voor het repareren, coaten of produceren van op maat gemaakte metalen of keramische onderdelen.
Daarentegen is binder jetting, hoewel voordelig in termen van productiesnelheid en lage kosten, niet geschikt voor het produceren van hoogwaardige mechanische onderdelen omdat het nabewerkingsversterkingsstappen vereist die de fabricagetijd van het eindproduct verlengen.Extrusietechnologie is ook effectief in de ruimtevaartomgeving.Opgemerkt moet worden dat niet alle polymeren geschikt zijn voor gebruik in de ruimte, maar hoogwaardige kunststoffen zoals PEEK kunnen vanwege hun sterkte sommige metalen onderdelen vervangen.Dit 3D-printproces is echter nog niet erg wijdverspreid, maar kan door het gebruik van nieuwe materialen een waardevolle aanwinst worden voor ruimteverkenning.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is een veelgebruikte technologie in 3D-printen voor de ruimtevaart.
Potentieel van ruimtematerialen
De lucht- en ruimtevaartindustrie heeft via 3D-printen nieuwe materialen verkend en innovatieve alternatieven voorgesteld die de markt kunnen verstoren.Terwijl metalen zoals titanium, aluminium en nikkel-chroomlegeringen altijd de belangrijkste focus zijn geweest, kan een nieuw materiaal binnenkort de schijnwerpers stelen: maanregoliet.Maanregoliet is een laag stof die de maan bedekt, en ESA heeft de voordelen aangetoond van het combineren ervan met 3D-printen.Advenit Makaya, een senior productie-ingenieur van ESA, beschrijft maanregoliet als vergelijkbaar met beton, voornamelijk gemaakt van 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 gesimuleerde 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 oplossingen voor poederbinding.ESA maakt ook gebruik van D-Shape-technologie met als doel vaste onderdelen te produceren door magnesiumchloride te mengen met materialen en dit te combineren met magnesiumoxide dat in het gesimuleerde monster wordt aangetroffen.Een van de grote voordelen van dit maanmateriaal is de fijnere afdrukresolutie, waardoor het onderdelen met de hoogste precisie kan produceren.Deze functie zou de belangrijkste troef kunnen worden bij het uitbreiden van het scala aan toepassingen en productiecomponenten voor toekomstige maanbases.
Lunar Regoliet is overal
Er is ook Martiaanse regoliet, verwijzend naar ondergronds materiaal gevonden op Mars.Op dit moment kunnen internationale ruimtevaartorganisaties dit materiaal niet recupereren, maar dit heeft wetenschappers er niet van weerhouden om het potentieel ervan in bepaalde lucht- en ruimtevaartprojecten te onderzoeken.Onderzoekers gebruiken gesimuleerde exemplaren van dit materiaal en combineren het met een titaniumlegering om gereedschappen of raketonderdelen te produceren.De eerste resultaten geven aan dat dit materiaal sterker is en apparatuur beschermt tegen roest en stralingsschade.Hoewel deze twee materialen vergelijkbare eigenschappen hebben, is maanregoliet nog steeds het meest geteste materiaal.Een ander voordeel is dat deze materialen ter plaatse kunnen worden vervaardigd zonder dat grondstoffen van de aarde hoeven te worden getransporteerd.Daarnaast is regoliet een onuitputtelijke materiaalbron die schaarste helpt voorkomen.
De toepassingen van 3D-printtechnologie in de lucht- en ruimtevaartindustrie
De toepassingen van 3D-printtechnologie in de lucht- en ruimtevaartindustrie kunnen variëren, afhankelijk van het specifieke gebruikte proces.Laserpoederbedfusie (L-PBF) kan bijvoorbeeld worden gebruikt om ingewikkelde kortetermijnonderdelen te vervaardigen, zoals gereedschapssystemen of reserveonderdelen voor de ruimte.Launcher, een in Californië gevestigde startup, gebruikte Velo3D's saffier-metaal 3D-printtechnologie om zijn E-2 vloeibare raketmotor te verbeteren.Het proces van de fabrikant werd gebruikt om de inductieturbine te maken, die een cruciale rol speelt bij het versnellen en aandrijven van LOX (vloeibare zuurstof) in de verbrandingskamer.De turbine en sensor zijn elk geprint met behulp van 3D-printtechnologie en vervolgens geassembleerd.Dit innovatieve onderdeel geeft de raket een grotere vloeistofstroom en grotere stuwkracht, waardoor het een essentieel onderdeel van de motor wordt
Velo3D heeft bijgedragen aan het gebruik van PBF-technologie bij de fabricage van de E-2 vloeibare raketmotor.
Additive manufacturing heeft brede toepassingen, waaronder de productie van kleine en grote constructies.3D-printtechnologieën zoals de Stargate-oplossing van Relativity Space kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om grote onderdelen te vervaardigen, zoals raketbrandstoftanks en propellerbladen.Relativity Space heeft dit bewezen door de succesvolle productie van de Terran 1, een bijna volledig 3D-geprinte raket, inclusief een meterslange brandstoftank.De eerste lancering op 23 maart 2023 toonde de efficiëntie en betrouwbaarheid van additive manufacturing-processen aan.
Op extrusie gebaseerde 3D-printtechnologie maakt het ook mogelijk om onderdelen te produceren met behulp van hoogwaardige materialen zoals PEEK.Componenten gemaakt van deze thermoplast zijn al getest in de ruimte en werden op de Rashid-rover geplaatst als onderdeel van de VAE-maanmissie.Het doel van deze test was om de weerstand van PEEK tegen extreme maanomstandigheden te evalueren.Als dit lukt, kan PEEK mogelijk metalen onderdelen vervangen in situaties waarin metalen onderdelen breken of materialen schaars zijn.Bovendien kunnen de lichtgewicht eigenschappen van PEEK van waarde zijn bij verkenning van de ruimte.
3D-printtechnologie kan worden gebruikt om verschillende onderdelen voor de lucht- en ruimtevaartindustrie te vervaardigen.
Voordelen van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaartindustrie
Voordelen van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaartindustrie zijn onder meer een verbeterd uiterlijk van onderdelen in vergelijking met traditionele constructietechnieken.Johannes Homa, CEO van de Oostenrijkse 3D-printerfabrikant Lithoz, verklaarde dat "deze technologie onderdelen lichter maakt".Door de ontwerpvrijheid zijn 3D-geprinte producten efficiënter en hebben ze minder middelen nodig.Dit heeft een positieve invloed op de milieu-impact van de productie van onderdelen.Relativity Space heeft aangetoond dat additive manufacturing het aantal componenten dat nodig is om ruimtevaartuigen te vervaardigen aanzienlijk kan verminderen.Voor de Terran 1-raket werden 100 onderdelen bewaard.Bovendien heeft deze technologie aanzienlijke voordelen op het gebied van productiesnelheid, waarbij de raket in minder dan 60 dagen wordt voltooid.Daarentegen kan het vervaardigen van een raket met behulp van traditionele methoden enkele jaren duren.
Wat het beheer van hulpbronnen betreft, kan 3D-printen materiaal besparen en in sommige gevallen zelfs afvalrecycling mogelijk maken.Ten slotte kan additive manufacturing een waardevolle troef worden om het startgewicht van raketten te verminderen.Het doel is om het gebruik van lokale materialen, zoals regoliet, te maximaliseren en het transport van materialen binnen ruimtevaartuigen te minimaliseren.Hierdoor is het mogelijk om alleen een 3D-printer mee te nemen, die na de reis alles ter plekke kan creëren.
Made in Space heeft al een van hun 3D-printers naar de ruimte gestuurd om te testen.
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 verklaarde: "Een van de grootste problemen met additive manufacturing in de lucht- en ruimtevaartindustrie is procesbeheersing en validatie."Fabrikanten kunnen het laboratorium betreden en de sterkte, betrouwbaarheid en microstructuur van elk onderdeel testen vóór validatie, een proces dat bekend staat als niet-destructief testen (NDT).Dit kan echter zowel tijdrovend als duur zijn, dus het uiteindelijke doel is om de behoefte aan 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 zijn vervaardigd door additive manufacturing.Het centrum wil digitale tweelingen 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.Door dit te doen, hoopt het centrum de toepassing van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaartindustrie te bevorderen, waardoor het effectiever kan concurreren met traditionele productietechnieken.
Deze componenten hebben uitgebreide betrouwbaarheids- en sterktetests ondergaan.
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 printen worden geanalyseerd."Deze methode helpt bepalen welke bedrukte producten geschikt zijn en welke niet.Daarnaast is er een zelfcorrectiesysteem voor 3D-printers bedoeld voor de ruimte en wordt getest op metalen machines.Dit systeem kan mogelijke fouten in het fabricageproces identificeren en automatisch de parameters aanpassen om eventuele defecten in het onderdeel te corrigeren.Van deze twee systemen wordt verwacht dat ze de betrouwbaarheid van gedrukte producten in de ruimte verbeteren.
Om 3D-printoplossingen te valideren, hebben NASA en ESA normen opgesteld.Deze normen omvatten een reeks tests om de betrouwbaarheid van onderdelen te bepalen.Ze overwegen poederbedfusietechnologie en werken deze bij voor andere processen.Maar ook veel grote spelers in de materialenindustrie, zoals Arkema, BASF, Dupont en Sabic, zorgen voor deze traceerbaarheid.
Wonen in de ruimte?
Met de vooruitgang van 3D-printtechnologie hebben we veel succesvolle projecten op aarde gezien die deze technologie gebruiken om huizen te bouwen.Dit doet ons afvragen of dit proces in de nabije of verre toekomst kan worden gebruikt om bewoonbare structuren in de ruimte te bouwen.Hoewel leven in de ruimte momenteel onrealistisch is, kan het bouwen van huizen, met name op de maan, voordelig zijn voor astronauten bij het uitvoeren van ruimtemissies.Het doel van de European Space Agency (ESA) is om koepels op de maan te bouwen met maanregoliet, die kan worden gebruikt om muren of stenen te bouwen om astronauten tegen straling te beschermen.Volgens Advenit Makaya van ESA bestaat maanregoliet uit ongeveer 60% metaal en 40% zuurstof en is het een essentieel materiaal voor het overleven van astronauten, omdat het een eindeloze bron van zuurstof kan zijn als het uit dit materiaal wordt gehaald.
NASA heeft ICON een subsidie van $ 57,2 miljoen toegekend voor de ontwikkeling van een 3D-printsysteem voor het bouwen van structuren op het maanoppervlak en werkt ook samen met het bedrijf om een Mars Dune Alpha-habitat te creëren.Het doel is om de levensomstandigheden op Mars te testen door vrijwilligers een jaar lang in een habitat te laten leven, waarbij de omstandigheden op de Rode Planeet worden nagebootst.Deze inspanningen vertegenwoordigen cruciale stappen in de richting van het rechtstreeks construeren van 3D-geprinte structuren op de maan en Mars, die uiteindelijk de weg zouden kunnen effenen voor kolonisatie van de menselijke ruimte.
In de verre toekomst zouden deze huizen het leven in de ruimte mogelijk kunnen maken.
Posttijd: 14 juni 2023