منذ القرن العشرين ، كان الجنس البشري مفتونًا باستكشاف الفضاء وفهم ما يكمن وراء الأرض.كانت المنظمات الكبرى مثل وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية في طليعة استكشاف الفضاء ، وهناك لاعب مهم آخر في هذا الغزو هو الطباعة ثلاثية الأبعاد.مع القدرة على إنتاج أجزاء معقدة بسرعة بتكلفة منخفضة ، أصبحت تقنية التصميم هذه شائعة بشكل متزايد في الشركات.يجعل إنشاء العديد من التطبيقات ممكنًا ، مثل الأقمار الصناعية وبدلات الفضاء ومكونات الصواريخ.في الواقع ، وفقًا لـ SmarTech ، من المتوقع أن تصل القيمة السوقية لتصنيع المواد المضافة لصناعة الفضاء الخاصة إلى 2.1 مليار يورو بحلول عام 2026. وهذا يثير السؤال: كيف يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد أن تساعد البشر على التفوق في الفضاء؟
في البداية ، تم استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أساسي للنماذج الأولية السريعة في الصناعات الطبية والسيارات والفضائية.ومع ذلك ، نظرًا لأن التكنولوجيا أصبحت أكثر انتشارًا ، فقد تم استخدامها بشكل متزايد لمكونات الغرض النهائي.سمحت تكنولوجيا تصنيع المواد المضافة المعدنية ، وخاصة L-PBF ، بإنتاج مجموعة متنوعة من المعادن ذات الخصائص والمتانة المناسبة لظروف الفضاء القاسية.تُستخدم أيضًا تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد الأخرى ، مثل DED ونفث الموثق وعملية البثق في تصنيع مكونات الطيران.في السنوات الأخيرة ، ظهرت نماذج أعمال جديدة ، مع شركات مثل Made in Space و Relativity Space التي تستخدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصميم مكونات الفضاء.
تقوم شركة Relativity Space بتطوير طابعة ثلاثية الأبعاد لصناعة الطيران
تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في الفضاء
الآن بعد أن قدمناها ، دعنا نلقي نظرة فاحصة على تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المختلفة المستخدمة في صناعة الطيران.أولاً ، تجدر الإشارة إلى أن تصنيع الإضافات المعدنية ، وخاصة L-PBF ، هو الأكثر استخدامًا في هذا المجال.تتضمن هذه العملية استخدام طاقة الليزر لدمج مسحوق المعدن طبقة تلو الأخرى.إنها مناسبة بشكل خاص لإنتاج أجزاء صغيرة ومعقدة ودقيقة ومخصصة.يمكن أيضًا لمصنعي الفضاء الاستفادة من DED ، والذي يتضمن ترسيب الأسلاك المعدنية أو المسحوق ويستخدم بشكل أساسي لإصلاح أو طلاء أو إنتاج أجزاء معدنية أو خزفية مخصصة.
في المقابل ، نفث الموثق ، على الرغم من أنه مفيد من حيث سرعة الإنتاج والتكلفة المنخفضة ، إلا أنه غير مناسب لإنتاج أجزاء ميكانيكية عالية الأداء لأنه يتطلب خطوات تقوية ما بعد المعالجة التي تزيد من وقت تصنيع المنتج النهائي.تقنية البثق فعالة أيضًا في بيئة الفضاء.وتجدر الإشارة إلى أنه ليست كل البوليمرات مناسبة للاستخدام في الفضاء ، ولكن البلاستيك عالي الأداء مثل PEEK يمكن أن يحل محل بعض الأجزاء المعدنية بسبب قوتها.ومع ذلك ، لا تزال عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد غير منتشرة بشكل كبير ، ولكنها يمكن أن تصبح رصيدًا قيمًا لاستكشاف الفضاء باستخدام مواد جديدة.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) هي تقنية مستخدمة على نطاق واسع في الطباعة ثلاثية الأبعاد للفضاء.
إمكانات المواد الفضائية
كانت صناعة الطيران تستكشف مواد جديدة من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وتقترح بدائل مبتكرة قد تعطل السوق.في حين أن المعادن مثل التيتانيوم والألومنيوم وسبائك النيكل والكروم كانت دائمًا محور التركيز الرئيسي ، فقد تسرق مادة جديدة قريبًا الأضواء: الثرى القمري.الثرى القمري عبارة عن طبقة من الغبار تغطي القمر ، وقد أثبتت وكالة الفضاء الأوروبية فوائد الجمع بينه وبين الطباعة ثلاثية الأبعاد.يصف Advenit Makaya ، كبير مهندسي التصنيع في ESA ، الثرى القمري بأنه مشابه للخرسانة ، ويتكون أساسًا من السيليكون وعناصر كيميائية أخرى مثل الحديد والمغنيسيوم والألمنيوم والأكسجين.عقدت وكالة الفضاء الأوروبية شراكة مع ليثوز لإنتاج أجزاء وظيفية صغيرة مثل البراغي والتروس باستخدام الثرى القمري المحاكي بخصائص مشابهة لغبار القمر الحقيقي.
تستخدم معظم العمليات المتضمنة في تصنيع الثرى القمري الحرارة ، مما يجعلها متوافقة مع تقنيات مثل SLS وحلول طباعة ربط المسحوق.تستخدم ESA أيضًا تقنية D-Shape بهدف إنتاج أجزاء صلبة عن طريق خلط كلوريد المغنيسيوم بالمواد ودمجها مع أكسيد المغنيسيوم الموجود في العينة المحاكاة.تتمثل إحدى المزايا المهمة لهذه المادة القمرية في دقة الطباعة الدقيقة ، مما يتيح لها إنتاج أجزاء بأعلى دقة.يمكن أن تصبح هذه الميزة الأصل الأساسي في توسيع نطاق التطبيقات ومكونات التصنيع للقواعد القمرية المستقبلية.
الثرثرة القمرية في كل مكان
هناك أيضًا الثرى المريخي ، الذي يشير إلى المواد الموجودة تحت سطح المريخ.حاليًا ، لا تستطيع وكالات الفضاء الدولية استعادة هذه المواد ، لكن هذا لم يمنع العلماء من البحث عن إمكاناتها في بعض مشاريع الفضاء الجوي.يستخدم الباحثون عينات محاكاة لهذه المادة ويقومون بدمجها مع سبيكة التيتانيوم لإنتاج أدوات أو مكونات صاروخية.تشير النتائج الأولية إلى أن هذه المادة ستوفر قوة أعلى وتحمي المعدات من الصدأ والتلف الإشعاعي.على الرغم من أن هاتين المادتين لهما خصائص متشابهة ، إلا أن الثرى القمري لا يزال أكثر المواد اختبارًا.ميزة أخرى هي أنه يمكن تصنيع هذه المواد في الموقع دون الحاجة إلى نقل المواد الخام من الأرض.بالإضافة إلى ذلك ، يعتبر الثرى مصدرًا ماديًا لا ينضب ، مما يساعد على منع الندرة.
تطبيقات تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة الطيران
يمكن أن تختلف تطبيقات تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة الطيران اعتمادًا على العملية المحددة المستخدمة.على سبيل المثال ، يمكن استخدام انصهار طبقة مسحوق الليزر (L-PBF) لتصنيع الأجزاء المعقدة قصيرة الأجل ، مثل أنظمة الأدوات أو قطع الغيار الفضائية.استخدمت Launcher ، وهي شركة ناشئة مقرها كاليفورنيا ، تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من الصفير المعدني Velo3D لتعزيز محرك الصاروخ السائل E-2.تم استخدام عملية الشركة المصنعة لإنشاء التوربين الحثي ، والذي يلعب دورًا مهمًا في تسريع ودفع LOX (الأكسجين السائل) إلى غرفة الاحتراق.تم طباعة كل من التوربين والمستشعر باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ثم تم تجميعهما.يوفر هذا المكون المبتكر للصاروخ تدفقًا أكبر للسوائل وقوة دفع أكبر ، مما يجعله جزءًا أساسيًا من المحرك
ساهم Velo3D في استخدام تقنية PBF في تصنيع محرك الصاروخ السائل E-2.
التصنيع الإضافي له تطبيقات واسعة ، بما في ذلك إنتاج الهياكل الصغيرة والكبيرة.على سبيل المثال ، يمكن استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد مثل حل Stargate من Relativity Space لتصنيع أجزاء كبيرة مثل خزانات وقود الصواريخ وشفرات المروحة.أثبتت شركة Relativity Space ذلك من خلال الإنتاج الناجح لـ Terran 1 ، وهو صاروخ مطبوع بالكامل تقريبًا ثلاثي الأبعاد ، بما في ذلك خزان وقود يبلغ طوله عدة أمتار.أظهر إطلاقه الأول في 23 مارس 2023 كفاءة وموثوقية عمليات التصنيع المضافة.
تسمح تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البثق أيضًا بإنتاج أجزاء باستخدام مواد عالية الأداء مثل نظرة خاطفة.تم بالفعل اختبار المكونات المصنوعة من البلاستيك الحراري في الفضاء وتم وضعها على متن مركبة راشد كجزء من مهمة الإمارات إلى القمر.كان الغرض من هذا الاختبار هو تقييم مقاومة PEEK لظروف القمر القاسية.إذا نجحت ، قد تتمكن PEEK من استبدال الأجزاء المعدنية في المواقف التي تنكسر فيها الأجزاء المعدنية أو تكون المواد نادرة.بالإضافة إلى ذلك ، قد تكون خصائص PEEK خفيفة الوزن ذات قيمة في استكشاف الفضاء.
يمكن استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع مجموعة متنوعة من الأجزاء لصناعة الطيران.
مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة الطيران
تشمل مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة الطيران تحسين المظهر النهائي للأجزاء مقارنة بتقنيات البناء التقليدية.صرح يوهانس هوما ، الرئيس التنفيذي لشركة ليثوز النمساوية المصنعة للطابعات ثلاثية الأبعاد ، أن "هذه التقنية تجعل الأجزاء أخف وزناً".نظرًا لحرية التصميم ، تعد المنتجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد أكثر كفاءة وتتطلب موارد أقل.هذا له تأثير إيجابي على الأثر البيئي للإنتاج الجزئي.أثبتت Relativity Space أن التصنيع الإضافي يمكن أن يقلل بشكل كبير من عدد المكونات المطلوبة لتصنيع المركبات الفضائية.بالنسبة لصاروخ Terran 1 ، تم حفظ 100 جزء.بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع هذه التقنية بمزايا كبيرة في سرعة الإنتاج ، حيث يتم الانتهاء من الصاروخ في أقل من 60 يومًا.في المقابل ، قد يستغرق تصنيع صاروخ بالطرق التقليدية عدة سنوات.
فيما يتعلق بإدارة الموارد ، يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد أن توفر المواد ، وفي بعض الحالات ، تسمح بإعادة تدوير النفايات.أخيرًا ، قد يصبح التصنيع الإضافي أحد الأصول القيمة لتقليل وزن إقلاع الصواريخ.الهدف هو تعظيم استخدام المواد المحلية ، مثل الثرى ، وتقليل نقل المواد داخل المركبات الفضائية.هذا يجعل من الممكن حمل طابعة ثلاثية الأبعاد فقط ، والتي يمكنها إنشاء كل شيء في الموقع بعد الرحلة.
أرسلت Made in Space بالفعل إحدى طابعاتها ثلاثية الأبعاد إلى مساحة للاختبار.
حدود الطباعة ثلاثية الأبعاد في الفضاء
على الرغم من أن الطباعة ثلاثية الأبعاد لها العديد من المزايا ، إلا أن هذه التقنية لا تزال جديدة نسبيًا ولها قيود.صرحت أدفينيت ماكايا ، "إحدى المشاكل الرئيسية مع التصنيع الإضافي في صناعة الطيران هي التحكم في العمليات والتحقق من صحتها".يمكن للمصنعين الدخول إلى المختبر واختبار قوة كل جزء وموثوقيته وبنيته المجهرية قبل التحقق من الصحة ، وهي عملية تُعرف باسم الاختبار غير المدمر (NDT).ومع ذلك ، قد يكون هذا مستهلكًا للوقت ومكلفًا ، لذا فإن الهدف النهائي هو تقليل الحاجة إلى هذه الاختبارات.أنشأت وكالة ناسا مؤخرًا مركزًا لمعالجة هذه المشكلة ، وركز على الاعتماد السريع للمكونات المعدنية المصنعة بواسطة التصنيع الإضافي.يهدف المركز إلى استخدام التوائم الرقمية لتحسين نماذج الكمبيوتر للمنتجات ، مما سيساعد المهندسين على فهم أداء وقيود الأجزاء بشكل أفضل ، بما في ذلك مقدار الضغط الذي يمكنهم تحمله قبل الكسر.من خلال القيام بذلك ، يأمل المركز في المساعدة في تعزيز تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة الطيران ، مما يجعلها أكثر فاعلية في التنافس مع تقنيات التصنيع التقليدية.
خضعت هذه المكونات لاختبارات موثوقية وقوة شاملة.
من ناحية أخرى ، تختلف عملية التحقق إذا تم التصنيع في الفضاء.يوضح Advenit Makaya من ESA ، "هناك تقنية تتضمن تحليل الأجزاء أثناء الطباعة."تساعد هذه الطريقة في تحديد المنتجات المطبوعة المناسبة وغير المناسبة.بالإضافة إلى ذلك ، هناك نظام تصحيح ذاتي للطابعات ثلاثية الأبعاد المخصصة للمساحة ويتم اختباره على الأجهزة المعدنية.يمكن لهذا النظام تحديد الأخطاء المحتملة في عملية التصنيع وتعديل معلماته تلقائيًا لتصحيح أي عيوب في الجزء.من المتوقع أن يعمل هذان النظامان على تحسين موثوقية المنتجات المطبوعة في الفضاء.
للتحقق من صحة حلول الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وضعت وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية معايير.تتضمن هذه المعايير سلسلة من الاختبارات لتحديد موثوقية الأجزاء.إنهم يعتبرون تقنية دمج طبقة المسحوق ويقومون بتحديثها لعمليات أخرى.ومع ذلك ، فإن العديد من اللاعبين الرئيسيين في صناعة المواد ، مثل Arkema و BASF و Dupont و Sabic ، يوفرون أيضًا إمكانية التتبع هذه.
هل تعيش في الفضاء؟
مع تقدم تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، رأينا العديد من المشاريع الناجحة على الأرض التي تستخدم هذه التقنية لبناء المنازل.هذا يجعلنا نتساءل عما إذا كان من الممكن استخدام هذه العملية في المستقبل القريب أو البعيد لبناء هياكل صالحة للسكن في الفضاء.في حين أن العيش في الفضاء غير واقعي حاليًا ، فإن بناء المنازل ، خاصة على القمر ، يمكن أن يكون مفيدًا لرواد الفضاء في تنفيذ مهام فضائية.هدف وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) هو بناء قباب على القمر باستخدام الثرى القمري ، والذي يمكن استخدامه لبناء جدران أو طوب لحماية رواد الفضاء من الإشعاع.وفقًا لـ Advenit Makaya من وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ، يتكون الثرى القمري من حوالي 60٪ معدن و 40٪ أكسجين وهو مادة أساسية لبقاء رواد الفضاء لأنه يمكن أن يوفر مصدرًا لا نهائيًا للأكسجين إذا تم استخراجه من هذه المادة.
منحت وكالة ناسا منحة قدرها 57.2 مليون دولار لشركة ICON لتطوير نظام طباعة ثلاثية الأبعاد لبناء الهياكل على سطح القمر وتتعاون أيضًا مع الشركة لإنشاء موطن لكثبان المريخ ألفا.الهدف هو اختبار الظروف المعيشية على المريخ من خلال جعل المتطوعين يعيشون في موطن لمدة عام واحد ، لمحاكاة الظروف على الكوكب الأحمر.تمثل هذه الجهود خطوات حاسمة نحو إنشاء هياكل مطبوعة ثلاثية الأبعاد مباشرة على القمر والمريخ ، والتي يمكن أن تمهد في النهاية الطريق لاستعمار الإنسان للفضاء.
في المستقبل البعيد ، يمكن لهذه المنازل أن تمكن الحياة من البقاء في الفضاء.
الوقت ما بعد: 14 يونيو - 2023