Κατασκευή σε Τροχιά: Πρόοδος με Μεταλλική 3Δ Εκτύπωση

Η τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων εξελίσσεται χάρη σε νέα υλικά, μεθόδους εναπόθεσης και αυτοματισμούς. Το 2024 δοκιμάστηκε μια σχετική τεχνολογία στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS). Η δοκιμή αποτελεί βήμα έρευνας, όχι έτοιμο σύστημα κατασκευής κάθε ανταλλακτικού στο διάστημα.

Η αγορά της τρισδιάστατης εκτύπωσης

Η τρισδιάστατη εκτύπωση έχει εφαρμογές στη βιομηχανία και στην έρευνα. Οι εκτιμήσεις για το μελλοντικό μέγεθος της αγοράς εξαρτώνται από τον ορισμό της και τη μεθοδολογία. Η ασαφής απόδοση μιας πρόβλεψης στην «BGC» δεν αρκεί για να παρουσιαστούν τα 95 δισ. δολάρια ως βέβαιο αποτέλεσμα.

Τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων

Υπάρχουν διαφορετικές μέθοδοι εκτύπωσης μετάλλων, όπως τήξη σκόνης, εναπόθεση σύρματος και διαδικασίες με συνδετικό υλικό και μεταγενέστερη πυροσυσσωμάτωση. Δεν χρησιμοποιούν όλες διαδοχικά στρώματα ήδη θερμασμένου μετάλλου με τον ίδιο τρόπο. Η επιλογή εξαρτάται από το υλικό, τη γεωμετρία και τις απαιτήσεις του εξαρτήματος.

Πηγή – ESA

Εκτύπωση στο Διάστημα

Η παραγωγή εξαρτημάτων κοντά στο σημείο χρήσης μπορεί να μειώσει ορισμένες ανάγκες ανεφοδιασμού. Η ESA μελετά πώς η μικροβαρύτητα επηρεάζει την εναπόθεση και τη στερεοποίηση μετάλλου. Η δοκιμή στον ISS γίνεται μέσα σε σταθμό υπό πίεση, όχι σε κενό χωρίς ατμόσφαιρα.

Οι πρώτες δοκιμές μεταλλικής εκτύπωσης στον ISS

Στις 30 Μαΐου 2024 ο πειραματικός εκτυπωτής παρήγαγε μια καμπύλη γραμμή μετάλλου σε σχήμα S κατά τη θέση σε λειτουργία. Αυτό δεν σήμαινε ότι είχαν ήδη εκτυπωθεί τέσσερα πλήρη δείγματα. Η πρώτη ολοκληρωμένη μεταλλική δοκιμαστική κατασκευή εκτυπώθηκε τον Αύγουστο του 2024 και ανακοινώθηκε τον Σεπτέμβριο. Εκτυπώσεις πολυμερών είχαν πραγματοποιηθεί στον ISS ήδη νωρίτερα.

Ο πειραματικός εκτυπωτής μετάλλου

Η συσκευή περίπου 180 κιλών σχεδιάστηκε για τη μικροβαρύτητα και χρησιμοποιεί σύρμα ανοξείδωτου χάλυβα. Ένα λέιζερ λιώνει το σύρμα στη ζώνη εναπόθεσης, όπου σχηματίζεται λουτρό τήγματος. Δεν βασίζεται σε σταγόνες που πέφτουν με τη βαρύτητα σε ξεχωριστό εφαρμοστή.

Χαρακτηριστικά Ασφαλείας

Η εκτύπωση γίνεται σε κλειστό περίβλημα ώστε να περιορίζονται η θερμότητα, τα σωματίδια και οι αναθυμιάσεις. Η διαχείρισή τους είναι απαραίτητη για την ασφάλεια του πληρώματος και του εξοπλισμού. Το περίβλημα δεν σημαίνει ότι δεν χρειάζεται ψύξη ή παρακολούθηση.

Παρακολούθηση από το έδαφος

Ο έλεγχος της εκτύπωσης και η παρακολούθηση μπορούν να γίνονται από το έδαφος, ενώ το πλήρωμα υποστηρίζει την εγκατάσταση και άλλες αναγκαίες εργασίες. Το άζωτο χρησιμοποιείται στο εσωτερικό του περιβλήματος για τη διαδικασία και δεν απελευθερώνεται απλώς στην καμπίνα για αερισμό. Η τηλεχειριζόμενη λειτουργία δεν ισοδυναμεί με πλήρη ανεξαρτησία από το πλήρωμα ή με δυνατότητα αποστολής υλικών από το έδαφος χωρίς ανεφοδιασμό.

Δοκιμές

Το πείραμα προέβλεπε τέσσερα δείγματα και σύγκριση με αντίστοιχα κατασκευασμένα στη Γη. Στο αρχικό στάδιο δεν είχαν όλα εκτυπωθεί ούτε βρίσκονταν ήδη καθ’ οδόν για επιστροφή. Προορίζονταν για ανάλυση στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Αστροναυτών, στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Δανίας και στο εργαστήριο υλικών και ηλεκτρικών εξαρτημάτων του ESTEC στην Ολλανδία. Στόχος ήταν να εξεταστούν διαφορές στις ιδιότητες και στην ποιότητα.

Εγκατάσταση 3Δ Εκτυπωτή

Ο εκτυπωτής σχεδιάστηκε για το European Drawer Rack Mark II της μονάδας Columbus. Την εγκατάσταση πραγματοποίησε ο αστροναύτης της ESA Andreas Mogensen. Η συμβατότητα με αυτό το rack δεν σημαίνει ότι το σύστημα είναι έτοιμο για κάθε διαστημική υπηρεσία ή σκάφος.

Διεθνής Διαστημικός Σταθμός

Η συναρμολόγηση του ISS άρχισε το 1998 και η συνεχής ανθρώπινη παρουσία τον Νοέμβριο του 2000. Ο σταθμός περιφέρεται γύρω από τη Γη περίπου 16 φορές την ημέρα και προσφέρει περιβάλλον παρατεταμένης μικροβαρύτητας. Η μονάδα Cupola επιτρέπει εκτεταμένη θέα, χωρίς να αποτελεί παράθυρο με ανεμπόδιστη θέα προς κάθε κατεύθυνση.

Δραστηριότητες Επιστημονικής Έρευνας

Ο ISS φιλοξενεί πειράματα σε πολλούς τομείς και επιτρέπει μακροχρόνιες δοκιμές σε μικροβαρύτητα. Αυτό βοηθά στην έρευνα τεχνολογιών που δεν μπορούν να αξιολογηθούν πλήρως με σύντομες επίγειες δοκιμές.

Έλεγχος ποιότητας στη μικροβαρύτητα

Η συμπεριφορά του τήγματος και η στερεοποίηση μπορεί να διαφέρουν από τις συνθήκες στη Γη. Οι ερευνητές συγκρίνουν δείγματα για να αξιολογήσουν δομή, αντοχή και άλλες ιδιότητες. Η επιτυχής εναπόθεση δεν αποδεικνύει από μόνη της ότι ένα εξάρτημα είναι κατάλληλο για κρίσιμη αποστολή.

Πλεονεκτήματα των Μεταλλικών 3Δ Εκτυπωτών στο Διάστημα

Η κατασκευή επιλεγμένων εξαρτημάτων επί τόπου θα μπορούσε να αυξήσει την ευελιξία μιας αποστολής. Απαιτούνται όμως πρώτη ύλη, ενέργεια, σχεδιαστικά αρχεία, κατάλληλος εξοπλισμός και έλεγχος ποιότητας. Ο πειραματικός εκτυπωτής δεν παράγει οποιοδήποτε αντικείμενο μπορεί να χρειαστεί το πλήρωμα.

Χαμηλότερο Βάρος/Κόστος

Το κόστος εκτόξευσης εξαρτάται από την αποστολή, τον πύραυλο και το φορτίο. Η εκτύπωση μπορεί να μειώσει ορισμένα αποθέματα ανταλλακτικών, αλλά ο εκτυπωτής και οι πρώτες ύλες έχουν επίσης βάρος και κόστος. Δεν είναι πάντοτε ταχύτερη ή φθηνότερη από τον ανεφοδιασμό.

Νέος Σχεδιασμός Εργαλείων

Μελλοντικά συστήματα θα μπορούσαν να κατασκευάζουν ειδικά εργαλεία από εγκεκριμένα σχέδια. Οι δυνατότητες περιορίζονται από τα υλικά, το μέγεθος εκτύπωσης και την πιστοποίηση, ακόμη και όταν το ψηφιακό σχέδιο μπορεί να αποσταλεί από τη Γη.

Μείωση Αποβλήτων

Η διαχείριση υλικών και αποβλήτων είναι σημαντική για τις διαστημικές αποστολές. Πρέπει να διακρίνονται τα απορρίμματα μέσα στο σκάφος από τα τροχιακά συντρίμμια, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν σοβαρές ζημιές.

Ακόμη και μικρά τροχιακά συντρίμμια μπορούν να είναι επικίνδυνα λόγω της μεγάλης σχετικής ταχύτητας. Η πιο αποδοτική χρήση υλικών ενδέχεται να μειώσει ορισμένα απόβλητα, αλλά η τρισδιάστατη εκτύπωση δεν εξαλείφει αυτομάτως το πρόβλημα των συντριμμιών.

Η ανακύκλωση παλαιών μεταλλικών αντικειμένων σε νέα εργαλεία αποτελεί πιθανό μελλοντικό στόχο. Ο συγκεκριμένος εκτυπωτής δεν απέδειξε έναν κλειστό κύκλο ανακύκλωσης κλειδιών ή άλλων εργαλείων. Απαιτούνται επιπλέον διαδικασίες για την προετοιμασία και τον έλεγχο της πρώτης ύλης.

Ερευνητές

Η ESA ανέθεσε την ανάπτυξη σε βιομηχανική ομάδα με επικεφαλής την Airbus. Ο Rob Postema συνδέεται με τη διαχείριση του πειράματος στην ESA και ο Sébastien Girault με την Airbus. Η Airbus είναι αεροδιαστημική εταιρεία, όχι αυτοκινητοβιομηχανία, και δεν πρέπει να παρουσιάζεται ως ο μοναδικός χρηματοδότης του έργου.

Το Μέλλον της Μεταλλικής 3Δ Εκτύπωσης

Η μεταλλική εκτύπωση μπορεί να εξελιχθεί με βελτιώσεις σε υλικά, έλεγχο και αυτοματοποίηση. Η εκτύπωση βιολογικών ιστών ή οργάνων ανήκει σε διαφορετικό πεδίο και δεν είναι δυνατότητα ενός εκτυπωτή που λιώνει μέταλλο.

Εταιρείες Πρωτοπόροι στην 3Δ Εκτύπωση

Ο κλάδος περιλαμβάνει κατασκευαστές μηχανών, προμηθευτές υλικών, λογισμικό και υπηρεσίες σχεδιασμού. Η συνάφεια με την τεχνολογία δεν αποδεικνύει ότι οι παρακάτω εταιρείες συμμετέχουν στο πείραμα της ESA ή θα ωφεληθούν οικονομικά από αυτό.

1. Desktop Metal

Η Desktop Metal ιδρύθηκε το 2015 και ανέπτυσσε συστήματα πρόσθετης κατασκευής για βιομηχανικές εφαρμογές. Μεταξύ των επενδυτών της είχαν περιληφθεί γνωστοί τεχνολογικοί και βιομηχανικοί όμιλοι, όπως η Ford (F ). Η ιστορική χρηματοδότηση δεν αποτελεί εγγύηση της οικονομικής κατάστασης ή της μελλοντικής απόδοσης.

Στο πλαίσιο του 2024, η Desktop Metal σχεδίαζε συστήματα εκτύπωσης μετάλλων και άλλων υλικών για βιομηχανικούς πελάτες. Βραβεύσεις και αναγνώριση δεν ισοδυναμούν με χρηματοοικονομική εγγύηση ή επιβεβαίωση της καταλληλότητας για διαστημική χρήση.

Η θέση μιας εταιρείας σε έναν αναπτυσσόμενο τεχνολογικό κλάδο δεν αρκεί για να χαρακτηριστεί η μετοχή της καλή αγορά. Χρειάζονται αξιολόγηση οικονομικών αποτελεσμάτων, ανταγωνισμού, κινδύνων και αποτίμησης.

2. Eastman Chemical Company

EMN Διάγραμμα τιμής

Η Eastman Chemical Company (EMN ) παράγει χημικά και ειδικά υλικά, ορισμένα με πιθανές εφαρμογές στην πρόσθετη κατασκευή. Οι ιστορικές ρίζες της ανάγονται στο 1920, αλλά η σημερινή εταιρική της μορφή και η χρηματιστηριακή της ιστορία πρέπει να διακρίνονται από αυτές. Βραβεύσεις δεν καθιστούν μια μετοχή κατάλληλη για κάθε χαρτοφυλάκιο ούτε αποδεικνύουν συμμετοχή στο πείραμα.

Μεταλλική εκτύπωση στο διάστημα: προοπτικές και όρια

Η δυνατότητα κατασκευής επιλεγμένων εξαρτημάτων κοντά στο σημείο χρήσης έχει ενδιαφέρον για το διάστημα και απομακρυσμένες περιοχές. Οι δυνατότητες και το κόστος εξαρτώνται από τον εξοπλισμό και την εφαρμογή. Η περαιτέρω πτώση των τιμών ή η ευρεία υιοθέτηση δεν είναι βέβαιες.

Μάθετε περισσότερα για άλλες τεχνολογίες κατασκευής