Ers yr 20fed ganrif, mae'r hil ddynol wedi bod â diddordeb mewn archwilio'r gofod a deall beth sydd y tu hwnt i'r Ddaear. Mae sefydliadau mawr fel NASA ac ESA wedi bod ar flaen y gad o ran archwilio'r gofod, ac mae argraffu 3D yn chwaraewr pwysig arall yn y goncwest hon. Gyda'r gallu i gynhyrchu rhannau cymhleth yn gyflym am gost isel, mae'r dechnoleg ddylunio hon yn dod yn fwyfwy poblogaidd mewn cwmnïau. Mae'n gwneud creu llawer o gymwysiadau'n bosibl, fel lloerennau, siwtiau gofod, a chydrannau rocedi. Mewn gwirionedd, yn ôl SmarTech, disgwylir i werth marchnad gweithgynhyrchu ychwanegol y diwydiant gofod preifat gyrraedd €2.1 biliwn erbyn 2026. Mae hyn yn codi'r cwestiwn: Sut gall argraffu 3D helpu bodau dynol i ragori yn y gofod?
I ddechrau, defnyddiwyd argraffu 3D yn bennaf ar gyfer creu prototeipiau cyflym yn y diwydiannau meddygol, modurol ac awyrofod. Fodd bynnag, wrth i'r dechnoleg ddod yn fwy cyffredin, mae'n cael ei defnyddio fwyfwy ar gyfer cydrannau at ddiben terfynol. Mae technoleg gweithgynhyrchu ychwanegol metel, yn enwedig L-PBF, wedi caniatáu cynhyrchu amrywiaeth o fetelau gyda nodweddion a gwydnwch sy'n addas ar gyfer amodau gofod eithafol. Defnyddir technolegau argraffu 3D eraill, fel DED, jetio rhwymwr, a phroses allwthio, hefyd wrth gynhyrchu cydrannau awyrofod. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae modelau busnes newydd wedi dod i'r amlwg, gyda chwmnïau fel Made in Space a Relativity Space yn defnyddio technoleg argraffu 3D i ddylunio cydrannau awyrofod.
Relativity Space yn datblygu argraffydd 3D ar gyfer y diwydiant awyrofod
Technoleg argraffu 3D mewn awyrofod
Nawr ein bod wedi eu cyflwyno, gadewch i ni edrych yn agosach ar y gwahanol dechnolegau argraffu 3D a ddefnyddir yn y diwydiant awyrofod. Yn gyntaf, dylid nodi mai gweithgynhyrchu ychwanegion metel, yn enwedig L-PBF, yw'r un a ddefnyddir fwyaf eang yn y maes hwn. Mae'r broses hon yn cynnwys defnyddio ynni laser i asio powdr metel haen wrth haen. Mae'n arbennig o addas ar gyfer cynhyrchu rhannau bach, cymhleth, manwl gywir, ac wedi'u haddasu. Gall gweithgynhyrchwyr awyrofod hefyd elwa o DED, sy'n cynnwys dyddodi gwifren fetel neu bowdr ac a ddefnyddir yn bennaf ar gyfer atgyweirio, gorchuddio, neu gynhyrchu rhannau metel neu serameg wedi'u haddasu.
Mewn cyferbyniad, er bod jetio rhwymwyr yn fanteisiol o ran cyflymder cynhyrchu a chost isel, nid yw'n addas ar gyfer cynhyrchu rhannau mecanyddol perfformiad uchel oherwydd ei fod yn gofyn am gamau cryfhau ôl-brosesu sy'n cynyddu amser gweithgynhyrchu'r cynnyrch terfynol. Mae technoleg allwthio hefyd yn effeithiol yn yr amgylchedd gofod. Dylid nodi nad yw pob polymer yn addas i'w ddefnyddio yn y gofod, ond gall plastigau perfformiad uchel fel PEEK ddisodli rhai rhannau metel oherwydd eu cryfder. Fodd bynnag, nid yw'r broses argraffu 3D hon yn gyffredin iawn o hyd, ond gall ddod yn ased gwerthfawr ar gyfer archwilio'r gofod trwy ddefnyddio deunyddiau newydd.
Mae Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) yn dechnoleg a ddefnyddir yn helaeth mewn argraffu 3D ar gyfer awyrofod.
Potensial Deunyddiau Gofod
Mae'r diwydiant awyrofod wedi bod yn archwilio deunyddiau newydd trwy argraffu 3D, gan gynnig dewisiadau amgen arloesol a allai amharu ar y farchnad. Er bod metelau fel titaniwm, alwminiwm, ac aloion nicel-cromiwm wedi bod yn brif ffocws erioed, gallai deunydd newydd ddwyn y sylw yn fuan: regolith lleuad. Haen o lwch sy'n gorchuddio'r lleuad yw regolith lleuad, ac mae ESA wedi dangos manteision ei gyfuno ag argraffu 3D. Mae Advenit Makaya, uwch beiriannydd gweithgynhyrchu yn ESA, yn disgrifio regolith lleuad fel rhywbeth tebyg i goncrit, wedi'i wneud yn bennaf o silicon ac elfennau cemegol eraill fel haearn, magnesiwm, alwminiwm, ac ocsigen. Mae ESA wedi partneru â Lithoz i gynhyrchu rhannau swyddogaethol bach fel sgriwiau a gerau gan ddefnyddio regolith lleuad efelychiedig â phriodweddau tebyg i lwch lleuad go iawn.
Mae'r rhan fwyaf o'r prosesau sy'n gysylltiedig â gweithgynhyrchu regolith lleuad yn defnyddio gwres, gan ei wneud yn gydnaws â thechnolegau fel SLS a datrysiadau argraffu bondio powdr. Mae ESA hefyd yn defnyddio technoleg D-Shape gyda'r nod o gynhyrchu rhannau solet trwy gymysgu clorid magnesiwm â deunyddiau a'i gyfuno ag ocsid magnesiwm a geir yn y sbesimen efelychiedig. Un o fanteision sylweddol y deunydd lleuad hwn yw ei benderfyniad print mwy manwl, gan ei alluogi i gynhyrchu rhannau gyda'r cywirdeb uchaf. Gallai'r nodwedd hon ddod yn ased sylfaenol wrth ehangu'r ystod o gymwysiadau a gweithgynhyrchu cydrannau ar gyfer canolfannau lleuad yn y dyfodol.
Mae Regolith Lleuad ym mhobman
Mae yna regolith Mawrth hefyd, sy'n cyfeirio at ddeunydd tanddaearol a geir ar blaned Mawrth. Ar hyn o bryd, ni all asiantaethau gofod rhyngwladol adfer y deunydd hwn, ond nid yw hyn wedi atal gwyddonwyr rhag ymchwilio i'w botensial mewn rhai prosiectau awyrofod. Mae ymchwilwyr yn defnyddio sbesimenau efelychiedig o'r deunydd hwn ac yn ei gyfuno ag aloi titaniwm i gynhyrchu offer neu gydrannau rocedi. Mae canlyniadau cychwynnol yn dangos y bydd y deunydd hwn yn darparu cryfder uwch ac yn amddiffyn offer rhag rhydu a difrod ymbelydredd. Er bod gan y ddau ddeunydd hyn briodweddau tebyg, regolith lleuad yw'r deunydd sydd wedi'i brofi fwyaf o hyd. Mantais arall yw y gellir cynhyrchu'r deunyddiau hyn ar y safle heb yr angen i gludo deunyddiau crai o'r Ddaear. Yn ogystal, mae regolith yn ffynhonnell ddeunydd ddihysbydd, gan helpu i atal prinder.
Cymwysiadau technoleg argraffu 3D yn y diwydiant awyrofod
Gall cymwysiadau technoleg argraffu 3D yn y diwydiant awyrofod amrywio yn dibynnu ar y broses benodol a ddefnyddir. Er enghraifft, gellir defnyddio asio gwely powdr laser (L-PBF) i gynhyrchu rhannau cymhleth tymor byr, fel systemau offer neu rannau sbâr gofod. Defnyddiodd Launcher, cwmni newydd o Galiffornia, dechnoleg argraffu 3D metel-saffri Velo3D i wella ei beiriant roced hylif E-2. Defnyddiwyd proses y gwneuthurwr i greu'r tyrbin sefydlu, sy'n chwarae rhan hanfodol wrth gyflymu a gyrru LOX (ocsigen hylif) i'r siambr hylosgi. Argraffwyd y tyrbin a'r synhwyrydd gan ddefnyddio technoleg argraffu 3D ac yna eu cydosod. Mae'r gydran arloesol hon yn darparu llif hylif mwy a gwthiad mwy i'r roced, gan ei gwneud yn rhan hanfodol o'r injan.
Cyfrannodd Velo3D at y defnydd o dechnoleg PBF wrth gynhyrchu'r injan roced hylif E-2.
Mae gan weithgynhyrchu ychwanegol gymwysiadau eang, gan gynnwys cynhyrchu strwythurau bach a mawr. Er enghraifft, gellir defnyddio technolegau argraffu 3D fel datrysiad Stargate Relativity Space i gynhyrchu rhannau mawr fel tanciau tanwydd rocedi a llafnau propelor. Mae Relativity Space wedi profi hyn trwy gynhyrchu'r Terran 1 yn llwyddiannus, roced sydd bron yn gyfan gwbl wedi'i hargraffu'n 3D, gan gynnwys tanc tanwydd sawl metr o hyd. Dangosodd ei lansiad cyntaf ar Fawrth 23, 2023, effeithlonrwydd a dibynadwyedd prosesau gweithgynhyrchu ychwanegol.
Mae technoleg argraffu 3D sy'n seiliedig ar allwthio hefyd yn caniatáu cynhyrchu rhannau gan ddefnyddio deunyddiau perfformiad uchel fel PEEK. Mae cydrannau a wneir o'r thermoplastig hwn eisoes wedi'u profi yn y gofod ac fe'u gosodwyd ar y cerbyd Rashid fel rhan o genhadaeth lleuad yr Emiraethau Arabaidd Unedig. Pwrpas y prawf hwn oedd gwerthuso ymwrthedd PEEK i amodau lleuad eithafol. Os bydd yn llwyddiannus, efallai y bydd PEEK yn gallu disodli rhannau metel mewn sefyllfaoedd lle mae rhannau metel yn torri neu lle mae deunyddiau'n brin. Yn ogystal, gall priodweddau ysgafn PEEK fod o werth wrth archwilio'r gofod.
Gellir defnyddio technoleg argraffu 3D i gynhyrchu amrywiaeth o rannau ar gyfer y diwydiant awyrofod.
Manteision argraffu 3D yn y diwydiant awyrofod
Mae manteision argraffu 3D yn y diwydiant awyrofod yn cynnwys golwg derfynol well rhannau o'i gymharu â thechnegau adeiladu traddodiadol. Dywedodd Johannes Homa, Prif Swyddog Gweithredol gwneuthurwr argraffyddion 3D Awstriaidd Lithoz, fod "y dechnoleg hon yn gwneud rhannau'n ysgafnach." Oherwydd rhyddid dylunio, mae cynhyrchion wedi'u hargraffu 3D yn fwy effeithlon ac mae angen llai o adnoddau arnynt. Mae hyn yn cael effaith gadarnhaol ar effaith amgylcheddol cynhyrchu rhannau. Mae Relativity Space wedi dangos y gall gweithgynhyrchu ychwanegol leihau nifer y cydrannau sydd eu hangen i gynhyrchu llong ofod yn sylweddol. Ar gyfer roced Terran 1, arbedwyd 100 o rannau. Yn ogystal, mae gan y dechnoleg hon fanteision sylweddol o ran cyflymder cynhyrchu, gyda'r roced yn cael ei chwblhau mewn llai na 60 diwrnod. Mewn cyferbyniad, gallai cynhyrchu roced gan ddefnyddio dulliau traddodiadol gymryd sawl blwyddyn.
O ran rheoli adnoddau, gall argraffu 3D arbed deunyddiau ac, mewn rhai achosion, hyd yn oed ganiatáu ailgylchu gwastraff. Yn olaf, gall gweithgynhyrchu ychwanegol ddod yn ased gwerthfawr ar gyfer lleihau pwysau esgyn rocedi. Y nod yw gwneud y defnydd mwyaf posibl o ddeunyddiau lleol, fel regolith, a lleihau cludo deunyddiau o fewn llongau gofod. Mae hyn yn ei gwneud hi'n bosibl cario argraffydd 3D yn unig, a all greu popeth ar y safle ar ôl y daith.
Mae Made in Space eisoes wedi anfon un o'u hargraffwyr 3D i'r gofod i'w brofi.
Cyfyngiadau argraffu 3D yn y gofod
Er bod gan argraffu 3D lawer o fanteision, mae'r dechnoleg yn dal yn gymharol newydd ac mae ganddi gyfyngiadau. Dywedodd Advenit Makaya, "Un o'r prif broblemau gyda gweithgynhyrchu ychwanegol yn y diwydiant awyrofod yw rheoli a dilysu prosesau." Gall gweithgynhyrchwyr fynd i mewn i'r labordy a phrofi cryfder, dibynadwyedd a microstrwythur pob rhan cyn dilysu, proses a elwir yn brofion anninistriol (NDT). Fodd bynnag, gall hyn fod yn cymryd llawer o amser ac yn ddrud, felly'r nod yn y pen draw yw lleihau'r angen am y profion hyn. Yn ddiweddar, sefydlodd NASA ganolfan i fynd i'r afael â'r mater hwn, gan ganolbwyntio ar ardystio cyflym cydrannau metel a weithgynhyrchir trwy weithgynhyrchu ychwanegol. Nod y ganolfan yw defnyddio efeilliaid digidol i wella modelau cyfrifiadurol o gynhyrchion, a fydd yn helpu peirianwyr i ddeall perfformiad a chyfyngiadau rhannau yn well, gan gynnwys faint o bwysau y gallant ei wrthsefyll cyn torri. Drwy wneud hynny, mae'r ganolfan yn gobeithio helpu i hyrwyddo cymhwyso argraffu 3D yn y diwydiant awyrofod, gan ei wneud yn fwy effeithiol wrth gystadlu â thechnegau gweithgynhyrchu traddodiadol.
Mae'r cydrannau hyn wedi cael profion dibynadwyedd a chryfder cynhwysfawr.
Ar y llaw arall, mae'r broses ddilysu yn wahanol os yw gweithgynhyrchu'n cael ei wneud yn y gofod. Mae Advenit Makaya o ESA yn egluro, "Mae techneg sy'n cynnwys dadansoddi'r rhannau yn ystod argraffu." Mae'r dull hwn yn helpu i benderfynu pa gynhyrchion printiedig sy'n addas a pha rai nad ydynt. Yn ogystal, mae system hunan-gywiro ar gyfer argraffwyr 3D a fwriadwyd ar gyfer y gofod ac mae'n cael ei phrofi ar beiriannau metel. Gall y system hon nodi gwallau posibl yn y broses weithgynhyrchu ac addasu ei pharamedrau'n awtomatig i gywiro unrhyw ddiffygion yn y rhan. Disgwylir i'r ddwy system hyn wella dibynadwyedd cynhyrchion printiedig yn y gofod.
I ddilysu atebion argraffu 3D, mae NASA ac ESA wedi sefydlu safonau. Mae'r safonau hyn yn cynnwys cyfres o brofion i bennu dibynadwyedd rhannau. Maent yn ystyried technoleg asio gwely powdr ac yn eu diweddaru ar gyfer prosesau eraill. Fodd bynnag, mae llawer o chwaraewyr mawr yn y diwydiant deunyddiau, fel Arkema, BASF, Dupont, a Sabic, hefyd yn darparu'r olrheinedd hwn.
Byw yn y gofod?
Gyda datblygiad technoleg argraffu 3D, rydym wedi gweld llawer o brosiectau llwyddiannus ar y Ddaear sy'n defnyddio'r dechnoleg hon i adeiladu tai. Mae hyn yn gwneud inni feddwl tybed a allai'r broses hon gael ei defnyddio yn y dyfodol agos neu bell i adeiladu strwythurau byw ynddynt yn y gofod. Er bod byw yn y gofod yn afrealistig ar hyn o bryd, gall adeiladu tai, yn enwedig ar y lleuad, fod o fudd i ofodwyr wrth gyflawni teithiau gofod. Nod Asiantaeth Ofod Ewrop (ESA) yw adeiladu cromenni ar y lleuad gan ddefnyddio regolith lleuad, y gellir ei ddefnyddio i adeiladu waliau neu frics i amddiffyn gofodwyr rhag ymbelydredd. Yn ôl Advenit Makaya o ESA, mae regolith lleuad yn cynnwys tua 60% o fetel a 40% o ocsigen ac mae'n ddeunydd hanfodol ar gyfer goroesiad gofodwyr oherwydd gall ddarparu ffynhonnell ddiddiwedd o ocsigen os caiff ei dynnu o'r deunydd hwn.
Mae NASA wedi dyfarnu grant o $57.2 miliwn i ICON ar gyfer datblygu system argraffu 3D ar gyfer adeiladu strwythurau ar wyneb y lleuad ac mae hefyd yn cydweithio â'r cwmni i greu cynefin Mars Dune Alpha. Y nod yw profi amodau byw ar y blaned Mawrth trwy gael gwirfoddolwyr i fyw mewn cynefin am flwyddyn, gan efelychu amodau ar y Blaned Goch. Mae'r ymdrechion hyn yn cynrychioli camau hanfodol tuag at adeiladu strwythurau printiedig 3D yn uniongyrchol ar y lleuad a'r blaned Mawrth, a allai yn y pen draw baratoi'r ffordd ar gyfer gwladychu gofod dynol.
Yn y dyfodol pell, gallai'r tai hyn alluogi bywyd i oroesi yn y gofod.
Amser postio: 14 Mehefin 2023
