Kể từ thế kỷ 20, loài người đã say mê khám phá không gian và tìm hiểu những gì nằm ngoài Trái đất.Các tổ chức lớn như NASA và ESA đã đi đầu trong lĩnh vực khám phá không gian và một nhân tố quan trọng khác trong cuộc chinh phục này là in 3D.Với khả năng sản xuất nhanh các bộ phận phức tạp với chi phí thấp, công nghệ thiết kế này ngày càng trở nên phổ biến trong các công ty.Nó làm cho việc tạo ra nhiều ứng dụng trở nên khả thi, chẳng hạn như vệ tinh, bộ đồ du hành vũ trụ và các thành phần tên lửa.Trên thực tế, theo SmarTech, giá trị thị trường của lĩnh vực sản xuất bồi đắp trong ngành vũ trụ tư nhân dự kiến sẽ đạt 2,1 tỷ euro vào năm 2026. Điều này đặt ra câu hỏi: Làm thế nào in 3D có thể giúp con người vượt trội trong không gian?
Ban đầu, in 3D chủ yếu được sử dụng để tạo mẫu nhanh trong ngành y tế, ô tô và hàng không vũ trụ.Tuy nhiên, khi công nghệ này trở nên phổ biến hơn, nó ngày càng được sử dụng nhiều hơn cho các thành phần có mục đích cuối cùng.Công nghệ sản xuất phụ gia kim loại, đặc biệt là L-PBF, đã cho phép sản xuất nhiều loại kim loại có đặc tính và độ bền phù hợp với điều kiện không gian khắc nghiệt.Các công nghệ in 3D khác, chẳng hạn như DED, phun chất kết dính và quy trình ép đùn, cũng được sử dụng trong sản xuất các bộ phận hàng không vũ trụ.Trong những năm gần đây, các mô hình kinh doanh mới đã xuất hiện, với các công ty như Made in Space và Relativity Space sử dụng công nghệ in 3D để thiết kế các thành phần hàng không vũ trụ.
Relativity Space phát triển máy in 3D cho ngành hàng không vũ trụ
Công nghệ in 3D trong hàng không vũ trụ
Bây giờ chúng tôi đã giới thiệu chúng, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các công nghệ in 3D khác nhau được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ.Đầu tiên, cần lưu ý rằng sản xuất phụ gia kim loại, đặc biệt là L-PBF, được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực này.Quá trình này liên quan đến việc sử dụng năng lượng laser để nung chảy từng lớp bột kim loại.Nó đặc biệt thích hợp để sản xuất các bộ phận nhỏ, phức tạp, chính xác và tùy chỉnh.Các nhà sản xuất hàng không vũ trụ cũng có thể hưởng lợi từ DED, liên quan đến việc lắng đọng dây hoặc bột kim loại và chủ yếu được sử dụng để sửa chữa, sơn phủ hoặc sản xuất các bộ phận kim loại hoặc gốm tùy chỉnh.
Ngược lại, phun chất kết dính, mặc dù có lợi thế về tốc độ sản xuất và chi phí thấp, nhưng không phù hợp để sản xuất các bộ phận cơ khí hiệu suất cao vì nó yêu cầu các bước gia cố sau xử lý làm tăng thời gian sản xuất của sản phẩm cuối cùng.Công nghệ ép đùn cũng có hiệu quả trong môi trường không gian.Cần lưu ý rằng không phải tất cả các polyme đều phù hợp để sử dụng trong không gian, nhưng nhựa hiệu suất cao như PEEK có thể thay thế một số bộ phận kim loại do độ bền của chúng.Tuy nhiên, quy trình in 3D này vẫn chưa phổ biến lắm, nhưng nó có thể trở thành một tài sản quý giá để khám phá không gian bằng cách sử dụng các vật liệu mới.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) là một công nghệ được sử dụng rộng rãi trong in 3D cho hàng không vũ trụ.
Tiềm năng của vật liệu không gian
Ngành hàng không vũ trụ đã khám phá các vật liệu mới thông qua in 3D, đề xuất các giải pháp thay thế sáng tạo có thể phá vỡ thị trường.Trong khi các kim loại như hợp kim titan, nhôm và niken-crom luôn là trọng tâm chính, thì một vật liệu mới có thể sớm thu hút sự chú ý: regolith mặt trăng.Lunar regolith là một lớp bụi bao phủ mặt trăng và ESA đã chứng minh những lợi ích của việc kết hợp nó với in 3D.Advenit Makaya, một kỹ sư sản xuất cao cấp của ESA, mô tả regolith mặt trăng tương tự như bê tông, chủ yếu được tạo thành từ silicon và các nguyên tố hóa học khác như sắt, magiê, nhôm và oxy.ESA đã hợp tác với Lithoz để sản xuất các bộ phận chức năng nhỏ như ốc vít và bánh răng bằng cách sử dụng đá mặt trăng mô phỏng với các đặc tính tương tự như bụi mặt trăng thực.
Hầu hết các quy trình liên quan đến sản xuất đá mặt trăng đều sử dụng nhiệt, làm cho nó tương thích với các công nghệ như SLS và các giải pháp in liên kết bột.ESA cũng đang sử dụng công nghệ D-Shape với mục tiêu sản xuất các bộ phận rắn bằng cách trộn magie clorua với các vật liệu và kết hợp nó với magie oxit có trong mẫu vật mô phỏng.Một trong những lợi thế đáng kể của vật liệu mặt trăng này là độ phân giải bản in tốt hơn, cho phép nó tạo ra các bộ phận có độ chính xác cao nhất.Tính năng này có thể trở thành tài sản chính trong việc mở rộng phạm vi ứng dụng và sản xuất linh kiện cho các căn cứ trên mặt trăng trong tương lai.
Lunar Regolith ở mọi nơi
Ngoài ra còn có regolith sao Hỏa, đề cập đến vật liệu dưới bề mặt được tìm thấy trên sao Hỏa.Hiện tại, các cơ quan vũ trụ quốc tế không thể phục hồi vật liệu này, nhưng điều này không ngăn cản các nhà khoa học nghiên cứu tiềm năng của nó trong một số dự án hàng không vũ trụ.Các nhà nghiên cứu đang sử dụng các mẫu mô phỏng của vật liệu này và đang kết hợp nó với hợp kim titan để sản xuất các công cụ hoặc bộ phận tên lửa.Kết quả ban đầu chỉ ra rằng vật liệu này sẽ cung cấp độ bền cao hơn và bảo vệ thiết bị khỏi rỉ sét và hư hại do bức xạ.Mặc dù hai vật liệu này có tính chất tương tự nhau, nhưng regolith mặt trăng vẫn là vật liệu được thử nghiệm nhiều nhất.Một ưu điểm khác là những vật liệu này có thể được sản xuất tại chỗ mà không cần vận chuyển nguyên liệu thô từ Trái đất.Ngoài ra, regolith là nguồn nguyên liệu vô tận, giúp ngăn chặn tình trạng khan hiếm.
Những ứng dụng của công nghệ in 3D trong ngành hàng không vũ trụ
Các ứng dụng của công nghệ in 3D trong ngành hàng không vũ trụ có thể khác nhau tùy thuộc vào quy trình cụ thể được sử dụng.Ví dụ, phản ứng tổng hợp giường bột bằng laser (L-PBF) có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận ngắn hạn phức tạp, chẳng hạn như hệ thống công cụ hoặc phụ tùng không gian.Launcher, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại California, đã sử dụng công nghệ in 3D kim loại sapphire của Velo3D để cải tiến động cơ tên lửa lỏng E-2 của mình.Quy trình của nhà sản xuất đã được sử dụng để tạo ra tua-bin cảm ứng, đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tốc và đẩy LOX (oxy lỏng) vào buồng đốt.Tua bin và cảm biến đều được in bằng công nghệ in 3D và sau đó được lắp ráp.Thành phần cải tiến này cung cấp cho tên lửa dòng chất lỏng lớn hơn và lực đẩy lớn hơn, khiến nó trở thành một phần thiết yếu của động cơ
Velo3D đã góp phần sử dụng công nghệ PBF trong sản xuất động cơ tên lửa lỏng E-2.
Sản xuất phụ gia có ứng dụng rộng rãi, bao gồm sản xuất các cấu trúc nhỏ và lớn.Ví dụ, các công nghệ in 3D như giải pháp Stargate của Relativity Space có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận lớn như thùng nhiên liệu tên lửa và cánh quạt.Thuyết Tương đối Không gian đã chứng minh điều này thông qua việc sản xuất thành công Terran 1, một tên lửa được in 3D gần như hoàn toàn, bao gồm cả thùng nhiên liệu dài vài mét.Lần ra mắt đầu tiên vào ngày 23 tháng 3 năm 2023, đã chứng minh tính hiệu quả và độ tin cậy của các quy trình sản xuất bồi đắp.
Công nghệ in 3D dựa trên ép đùn cũng cho phép sản xuất các bộ phận sử dụng vật liệu hiệu suất cao như PEEK.Các thành phần làm bằng nhựa nhiệt dẻo này đã được thử nghiệm trong không gian và được đặt trên xe tự hành Rashid như một phần của sứ mệnh mặt trăng của UAE.Mục đích của thử nghiệm này là đánh giá khả năng chống chịu của PEEK đối với các điều kiện khắc nghiệt của mặt trăng.Nếu thành công, PEEK có thể thay thế các bộ phận kim loại trong trường hợp các bộ phận kim loại bị hỏng hoặc khan hiếm vật liệu.Ngoài ra, các đặc tính nhẹ của PEEK có thể có giá trị trong khám phá không gian.
Công nghệ in 3D có thể được sử dụng để sản xuất nhiều bộ phận khác nhau cho ngành hàng không vũ trụ.
Ưu điểm của in 3D trong ngành hàng không vũ trụ
Ưu điểm của in 3D trong ngành hàng không vũ trụ bao gồm cải thiện hình thức cuối cùng của các bộ phận so với các kỹ thuật xây dựng truyền thống.Johannes Homa, Giám đốc điều hành của nhà sản xuất máy in 3D Áo Lithoz, tuyên bố rằng "công nghệ này làm cho các bộ phận nhẹ hơn."Do tự do thiết kế, các sản phẩm in 3D hiệu quả hơn và yêu cầu ít tài nguyên hơn.Điều này có tác động tích cực đến tác động môi trường của sản xuất một phần.Thuyết Tương đối Không gian đã chứng minh rằng sản xuất phụ gia có thể giảm đáng kể số lượng linh kiện cần thiết để sản xuất tàu vũ trụ.Đối với tên lửa Terran 1, 100 bộ phận đã được lưu lại.Ngoài ra, công nghệ này còn có lợi thế đáng kể về tốc độ sản xuất, tên lửa được hoàn thành trong vòng chưa đầy 60 ngày.Ngược lại, chế tạo tên lửa bằng các phương pháp truyền thống có thể mất vài năm.
Về quản lý tài nguyên, in 3D có thể tiết kiệm vật liệu và trong một số trường hợp, thậm chí còn cho phép tái chế chất thải.Cuối cùng, sản xuất phụ gia có thể trở thành một tài sản quý giá để giảm trọng lượng cất cánh của tên lửa.Mục tiêu là tối đa hóa việc sử dụng các vật liệu địa phương, chẳng hạn như regolith, và giảm thiểu việc vận chuyển vật liệu trong tàu vũ trụ.Điều này giúp bạn chỉ có thể mang theo một máy in 3D, có thể tạo mọi thứ tại chỗ sau chuyến đi.
Made in Space đã gửi một trong những máy in 3D của họ lên vũ trụ để thử nghiệm.
Hạn chế của in 3D trong không gian
Mặc dù in 3D có nhiều ưu điểm nhưng công nghệ này vẫn còn tương đối mới và có những hạn chế.Advenit Makaya tuyên bố, "Một trong những vấn đề chính của sản xuất phụ gia trong ngành hàng không vũ trụ là kiểm soát và xác nhận quy trình."Các nhà sản xuất có thể vào phòng thí nghiệm và kiểm tra độ bền, độ tin cậy và cấu trúc vi mô của từng bộ phận trước khi xác nhận, một quy trình được gọi là kiểm tra không phá hủy (NDT).Tuy nhiên, điều này có thể vừa tốn thời gian vừa tốn kém, vì vậy mục tiêu cuối cùng là giảm nhu cầu thực hiện các xét nghiệm này.NASA gần đây đã thành lập một trung tâm để giải quyết vấn đề này, tập trung vào việc chứng nhận nhanh chóng các thành phần kim loại được sản xuất bằng công nghệ bồi đắp.Trung tâm nhằm mục đích sử dụng cặp song sinh kỹ thuật số để cải thiện các mô hình sản phẩm trên máy tính, điều này sẽ giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về hiệu suất và giới hạn của các bộ phận, bao gồm cả áp lực mà chúng có thể chịu được trước khi gãy.Bằng cách đó, trung tâm hy vọng sẽ giúp thúc đẩy ứng dụng in 3D trong ngành hàng không vũ trụ, giúp nó cạnh tranh hiệu quả hơn với các kỹ thuật sản xuất truyền thống.
Các thành phần này đã trải qua kiểm tra độ tin cậy và độ bền toàn diện.
Mặt khác, quy trình xác minh sẽ khác nếu quá trình sản xuất được thực hiện trong không gian.Advenit Makaya của ESA giải thích, "Có một kỹ thuật liên quan đến việc phân tích các bộ phận trong quá trình in."Phương pháp này giúp xác định sản phẩm in nào phù hợp và sản phẩm nào không.Ngoài ra, có một hệ thống tự hiệu chỉnh dành cho máy in 3D dành cho không gian và đang được thử nghiệm trên các máy kim loại.Hệ thống này có thể xác định các lỗi tiềm ẩn trong quy trình sản xuất và tự động sửa đổi các thông số của nó để sửa bất kỳ lỗi nào trong bộ phận.Hai hệ thống này được kỳ vọng sẽ cải thiện độ tin cậy của các sản phẩm in trong không gian.
Để xác thực các giải pháp in 3D, NASA và ESA đã thiết lập các tiêu chuẩn.Các tiêu chuẩn này bao gồm một loạt các thử nghiệm để xác định độ tin cậy của các bộ phận.Họ xem xét công nghệ hợp nhất giường bột và đang cập nhật chúng cho các quy trình khác.Tuy nhiên, nhiều công ty lớn trong ngành công nghiệp vật liệu, chẳng hạn như Arkema, BASF, Dupont và Sabic, cũng cung cấp khả năng truy xuất nguồn gốc này.
Sống trong không gian?
Với sự tiến bộ của công nghệ in 3D, chúng ta đã thấy nhiều dự án thành công trên Trái đất sử dụng công nghệ này để xây dựng nhà ở.Điều này khiến chúng tôi tự hỏi liệu quá trình này có thể được sử dụng trong tương lai gần hay xa để xây dựng các cấu trúc có thể ở được trong không gian.Mặc dù việc sống trong không gian hiện tại là không thực tế, nhưng việc xây dựng nhà ở, đặc biệt là trên mặt trăng, có thể mang lại lợi ích cho các phi hành gia khi thực hiện các sứ mệnh không gian.Mục tiêu của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) là xây dựng các mái vòm trên mặt trăng bằng cách sử dụng đá mặt trăng, có thể được sử dụng để xây tường hoặc gạch để bảo vệ các phi hành gia khỏi bức xạ.Theo Advenit Makaya từ ESA, regolith mặt trăng bao gồm khoảng 60% kim loại và 40% oxy và là vật liệu thiết yếu cho sự sống của phi hành gia vì nó có thể cung cấp nguồn oxy vô tận nếu được chiết xuất từ vật liệu này.
NASA đã trao khoản tài trợ trị giá 57,2 triệu đô la cho ICON để phát triển hệ thống in 3D nhằm xây dựng các cấu trúc trên bề mặt mặt trăng và cũng đang hợp tác với công ty để tạo ra môi trường sống trên Sao Hỏa Dune Alpha.Mục đích là để kiểm tra điều kiện sống trên sao Hỏa bằng cách cho các tình nguyện viên sống trong môi trường sống trong một năm, mô phỏng điều kiện trên Hành tinh Đỏ.Những nỗ lực này thể hiện các bước quan trọng hướng tới việc xây dựng trực tiếp các cấu trúc in 3D trên mặt trăng và sao Hỏa, điều cuối cùng có thể mở đường cho quá trình xâm chiếm không gian của con người.
Trong tương lai xa, những ngôi nhà này có thể cho phép sự sống tồn tại trong không gian.
Thời gian đăng: 14-Jun-2023