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Das neue Potenzial des 3D-Drucks: Interstellare Migration und die Entwicklung des Weltraums

Nov 27, 2020

Mit Hilfe der 3D-Computertechnologie rückt die additive Fertigungstechnologie von Bauobjekten durch Schicht-für-Schicht-Ansammlung von Materialien zunehmend an die Spitze der Raumausrüstungsfertigung. Wissenschaftler glauben, dass der 3D-Druck die Entwicklung des außerirdischen Raums erheblich beschleunigen kann. Wie kann die "Raumfertigung" von 3D-Druckern optimiert und die Sicherheit von druckten Bauteilen verbessert werden? Wie können neue Technologien zur Herstellung von ultraleichten optischen Systemen für Nanosatelliten verwendet werden? Forscher russischer Universitäten (Mitglieder des Projekts "5-100") stellten ihre neuesten Entwicklungen vor.

space discovery

Einer der Hauptvorteile der neuen Methode besteht darin, dass ein 3D-Drucker eine große Anzahl von Geräten in einer traditionellen Fabrik ersetzen kann. Im November 2020 nahm das Forbes-Magazin additive Fertigungstechnologie (aus dem lateinischen Additivus-Add) auf die Liste der fünf revolutionären neuen Technologien auf, die der Aufmerksamkeit von Unternehmern würdig sind. Der Autor des Artikels wies darauf hin, dass additive Fertigungstechnologie enorme Vorteile für die Luft- und Raumfahrtindustrie bringen wird. In diesem Bereich ist das Produktgewicht in der Regel der wichtigste Faktor, der die Transportkosten beeinflusst.


Der Space 3D-Druck kann die Entwicklung des außerirdischen Raums erheblich beschleunigen; Die additive Fertigungstechnologie dringt auch aktiv in die Raketenindustrie ein.


Am 30. Mai 2020 wurden die Helme der Astronauten Robert Bacon und Doug Hurley, die am Start der Crew Dragon-Sonde und falcon 9-Rakete teilnahmen, mit 3D-Drucktechnologie zugeschnitten.


Elon Musk, Chef der SpaceX Aerospace Corporation, sagte, dass mit 3D-Druck langlebige Hochleistungs-Motorteile hergestellt werden können, und die Zeit und das Geld, das ausgegeben wird, sind nur ein kleiner Teil der Verwendung traditioneller Herstellungsverfahren. Bereits 2014 hatte SpaceX die erste 3D-gedruckte Komponente hergestellt.


"Blue Origin" Luft- und Raumfahrtunternehmen Jeff Bezos verwendet additive Fertigungstechnologie, um BE-4-Motorkomponenten zu drucken. Auch junge Raketenfirmen aus den Usa (Relativistic Space) und dem Vereinigten Königreich (Obex) wollen die Möglichkeiten von 3D-Druckern voll ausschöpfen.


Verbesserung der Sicherheit von 3D-Komponenten

3D Printing For Space

Gleichzeitig sind auch kleinste Defekte an 3D-gedruckten Bauteilen entscheidend für die Sicherheit der erzeugten Geräte. Wissenschaftler der National Research University of Technology MISIS (NUST MISIS) konnten die 3D-Drucktechnologie von Aluminium verbessern und die Härte des Produkts um das 1,5-fache erhöhen.


NUST MISIS Forscher glauben, dass das Hauptrisiko solcher Defekte ist die hohe Porosität des Materials, einer der Gründe ist die Eigenschaften des ursprünglichen Aluminiumpulvers. Um sicherzustellen, dass die Mikrostruktur des gedruckten Produkts einheitlich und dicht ist, haben Wissenschaftler eine Methode vorgeschlagen, um Aluminiumpulver Kohlenstoff-Nanofasern hinzuzufügen, um eine geringe Porosität des Materials zu gewährleisten und seine Härte um das 1,5-fache zu erhöhen. Die Forschungsergebnisse werden im Magazin "Composites Communications" veröffentlicht.


Professor Alexander Gromov von NUST MISIS sagte: "Kohlenstoff-Nanofasern haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was dazu beiträgt, den Temperaturgradienten zwischen den Druckschichten während der selektiven Laserschmelzphase während des Produktsyntheseprozesses zu minimieren. Daher kann das Material Die Inhomogenität der Mikrostruktur nahezu vollständig eliminiert werden."


Die verwendeten Kohlenstoff-Nanofasern sind ein Nebenprodukt der Verarbeitung von Ölfeld-assoziiertem Gas. Während seines katalytischen Zersetzungsprozesses sammelt sich Kohlenstoff in Form von Nanofasern auf den vom Katalysator dispergierten Metallpartikeln an. Die Wissenschaftler wiesen auch darauf hin, dass das zugehörige Gas in der Regel in Öl- und Gasfeldern "entlüftet und verbrannt" wird, was der Umwelt schadet, so dass der Einsatz dieser neuen Methode eine wichtige Bedeutung für den Umweltschutz hat.


Optimieren Sie "Space Manufacturing"


Elon Musk und andere Experten sind überzeugt, dass 3D-Druck der zukünftigen Weltraumentwicklung helfen kann, wie die Kolonisierung des Mars.


Um auf dem Mars zu überleben, müssen Sie in der Lage sein, dort mit der Produktion zu beginnen und lokale Materialien am besten zu verwenden. Der 3D-Drucker kann verwendet werden, um eine Basis zu bauen und dort eine Wohnumgebung zu schaffen.


Auch jetzt, in der Arbeit der Internationalen Raumstation (ISS), ist das Problem der Materialbeschaffung immer noch ernst, und die Astronauten des nächsten Frachtraumschiffs müssen mehrere Monate warten. Manchmal sind wichtige Kleinteile beschädigt oder verloren gegangen, zum Beispiel geht oft der Kunststoffstecker des elektrischen Kontakts verloren. In diesem Fall können 3D-Drucker dieses Problem lösen, indem sie Kunststoffprodukte im Weltraum drucken. In Zukunft werden sich die Verfügbarkeitsprobleme bei interstellaren Flügen verschärfen, und die Nachfrage nach solchen Druckern wird unweigerlich zunehmen.


Im Jahr 2016 beauftragte die NASA Made in Space mit der Installation eines permanenten 3D-Druckers auf der Internationalen Raumstation ISS, um Werkzeuge, Ausrüstung und alles andere zu produzieren, was Astronauten benötigen könnten. In der Folge kündigten auch einige europäische, chinesische und andere Unternehmen die Herstellung ähnlicher Maschinen an.


Der Forscher, der den 3D-Drucker entwickelt hat, ein Wissenschaftler an der Tomsk University of Technology (TPU), sagte, dass der in Russland produzierte 3D-Drucker 2021 ins All kommen wird. Sein Vorteil ist ein fortschrittlicheres modulares System, das Geräte-Upgrades und Wartung realisieren kann. Wenn also 3D-Druckmaterialien von einfachen Kunststoffen auf Aufbauten oder Verbundwerkstoffe umstellen, müssen Ingenieure heute nicht wie ihre amerikanischen Kollegen neue Drucker bauen und dann an die ISS liefern.


Wassili Fedorow, Leiter des technischen Produktionstechnologie-Wissenschafts- und Produktionslabors von TPU, sagte: "Jetzt befindet sich das Arbeitslayout des 3D-Druckers in der Endphase. Die zur ISS versandten Geräte sind mit einer strengen Beständigkeit gegen Maschinen, Wetter und andere Belastungen beständig. Anforderung. Darüber hinaus, um sicherzustellen, dass der 3D-Drucker absolut sicher für Astronauten ist. Jetzt wird all dies überprüft, und es wurden eine Reihe von Tests und Inspektionen durchgeführt. Gleichzeitig wurde die speziell für den Drucker eingerichtete Software verbessert."


Erstellen von ultraleichten optischen Systemen für Nanosatelliten


Die Möglichkeit des 3D-Drucks ermöglicht es Wissenschaftlern der Universität Samara, ein einzigartiges ultraleichtes optisches System für Nanosatelliten mit diffraktiver Optik zu schaffen. Forscher sagen, dass dies die weltweit erste Linse mit diffraktiver Optik sein wird, die in den Weltraum eintritt.


Kern stückinlassen das optische System ist die an der Universität entwickelte, diffraktive Linse, die einzigartige Eigenschaften aufweist. Die auf dieser Linse basierende Linse ersetzt das Linsensystem der modernen Langstreckenlinse und ihre Eigenschaften sind leicht (mit optischen Komponenten mit einem Gewicht von weniger als 100 Gramm) und einer geringen Größe.


Die Linse hat eine innovative bionische Formschale und ist mit der besten Technologie entwickelt, um das Gewicht zu minimieren und gleichzeitig die Festigkeitseigenschaften beizubehalten. Die komplexe äußere Form und innere Struktur der Raumfahrzeugkomponenten wird auf der selektiven Laserfusionsanlage SLM280HL in 3D gedruckt.


Um das Gewicht der Komponenten so weit wie möglich zu reduzieren, wurde nach Ansicht der Wissenschaftler eine Topologieoptimierung in ihrer inneren Struktur durchgeführt, wodurch spezielle Wabenblöcke hinzugefügt wurden. Die Größe des Teils beträgt 70×80×100 mm. Aufgrund der additiven Fertigungstechnologie ist sein Gewicht etwa 40 % leichter als bei vergleichbaren Teilen, die nach herkömmlichen Verfahren hergestellt werden.


Vitaly Smailov, Associate Professor im Teaching and Research Office of Engine Production Technology an der Universität Samara, sagte: "Die Linsenschale besteht aus AlSi10Mg Aluminiumlegierungspulver. Die in Russland hergestellte Legierung genießt sowohl in Russland als auch im Ausland einen hohen Ruf. Im Bereich der Luft- und Raumfahrt ist Das Gewicht das Hauptmerkmal, und die Industrie hat versucht, diesen Indikator zu reduzieren."


Die Wissenschaftler führten eine mehrstufige Topologieoptimierung der ursprünglichen Struktur durch, ermittelten und analysierten mehrere Formen.


Anton Agapovich, Forscher an der Universität Samara, sagte: "Wir haben mit Experten auf dem Gebiet der CADFEM CIS Topologie Optimierung und additive Fertigungstechnologie zusammengearbeitet und haben eine Menge Arbeit geleistet, um eine neue Art von Struktur zu erhalten, um die Bedürfnisse der welten Luft- und Raumfahrtindustrie moderne Anforderungen zu erfüllen."


Nach Angaben der Wissenschaftler kosten ähnliche Produkte, wie die Linse des CubeSat Gecko Imager (Gecko Imager), 23.000 Euro, und der Preis für das optische System, das sie entwickeln, wird viel niedriger sein.


Der im Rahmen des nationalen Projekts "Bildung" umgesetzte "5-100"-Plan soll russischen Universitäten helfen, ihr wissenschaftliches Forschungspotenzial zu steigern und ihre Wettbewerbsposition auf dem globalen Markt für Bildungsdienstleistungen zu verbessern.