Des del segle XX, la raça humana ha estat fascinada per explorar l'espai i comprendre què hi ha més enllà de la Terra.Organitzacions importants com la NASA i l'ESA han estat al capdavant de l'exploració espacial, i un altre jugador important en aquesta conquesta és la impressió 3D.Amb la capacitat de produir ràpidament peces complexes a baix cost, aquesta tecnologia de disseny és cada cop més popular a les empreses.Fa possible la creació de moltes aplicacions, com ara satèl·lits, vestits espacials i components de coets.De fet, segons SmarTech, s'espera que el valor de mercat de la fabricació additiva de la indústria espacial privada arribi als 2.100 milions d'euros l'any 2026. Això planteja la pregunta: Com pot la impressió 3D ajudar els humans a sobresortir a l'espai?
Inicialment, la impressió 3D s'utilitzava principalment per a la creació ràpida de prototips a les indústries mèdica, automotriu i aeroespacial.Tanmateix, a mesura que la tecnologia s'ha generalitzat, s'està utilitzant cada cop més per a components d'ús final.La tecnologia de fabricació additiva metàl·lica, especialment L-PBF, ha permès la producció d'una varietat de metalls amb característiques i durabilitat adequades per a condicions d'espai extremes.Altres tecnologies d'impressió 3D, com ara DED, injecció de lligant i procés d'extrusió, també s'utilitzen en la fabricació de components aeroespacials.En els darrers anys, han sorgit nous models de negoci, amb empreses com Made in Space i Relativity Space utilitzant tecnologia d'impressió 3D per dissenyar components aeroespacials.
Relativity Space desenvolupa una impressora 3D per a la indústria aeroespacial
Tecnologia d'impressió 3D en aeroespacial
Ara que els hem presentat, fem una ullada més de prop a les diferents tecnologies d'impressió 3D utilitzades a la indústria aeroespacial.En primer lloc, cal assenyalar que la fabricació d'additius metàl·lics, especialment L-PBF, és la més utilitzada en aquest camp.Aquest procés implica utilitzar energia làser per fusionar pols metàl·lica capa per capa.És especialment adequat per produir peces petites, complexes, precises i personalitzades.Els fabricants aeroespacials també es poden beneficiar del DED, que consisteix a dipositar filferro metàl·lic o pols i s'utilitza principalment per reparar, revestir o produir peces metàl·liques o ceràmiques personalitzades.
En canvi, la injecció de lligant, encara que avantatjosa pel que fa a la velocitat de producció i el baix cost, no és adequada per produir peces mecàniques d'alt rendiment perquè requereix passos d'enfortiment posterior al processament que augmenten el temps de fabricació del producte final.La tecnologia d'extrusió també és efectiva en l'entorn espacial.Cal tenir en compte que no tots els polímers són adequats per al seu ús a l'espai, però els plàstics d'alt rendiment com el PEEK poden substituir algunes peces metàl·liques per la seva resistència.Tanmateix, aquest procés d'impressió 3D encara no està molt estès, però pot esdevenir un actiu valuós per a l'exploració espacial mitjançant l'ús de nous materials.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) és una tecnologia àmpliament utilitzada en impressió 3D per a aeroespacial.
Potencial dels materials espacials
La indústria aeroespacial ha estat explorant nous materials mitjançant la impressió 3D, proposant alternatives innovadores que poden alterar el mercat.Si bé els metalls com el titani, l'alumini i els aliatges de níquel-crom sempre han estat el focus principal, un nou material aviat pot robar el focus: el regolit lunar.El regolit lunar és una capa de pols que cobreix la Lluna i l'ESA ha demostrat els beneficis de combinar-lo amb la impressió 3D.Advenit Makaya, enginyer sènior de fabricació de l'ESA, descriu el regolit lunar com a similar al formigó, format principalment per silici i altres elements químics com ara ferro, magnesi, alumini i oxigen.L'ESA s'ha associat amb Lithoz per produir petites peces funcionals com ara cargols i engranatges mitjançant regolit lunar simulat amb propietats similars a la pols de lluna real.
La majoria dels processos implicats en la fabricació de regolit lunar utilitzen calor, la qual cosa la fa compatible amb tecnologies com SLS i solucions d'impressió d'unió de pols.L'ESA també està utilitzant la tecnologia D-Shape amb l'objectiu de produir peces sòlides barrejant clorur de magnesi amb materials i combinant-lo amb l'òxid de magnesi que es troba a la mostra simulada.Un dels avantatges significatius d'aquest material lunar és la seva resolució d'impressió més fina, que li permet produir peces amb la màxima precisió.Aquesta característica podria convertir-se en l'actiu principal per ampliar la gamma d'aplicacions i components de fabricació per a futures bases lunars.
El regolit lunar és a tot arreu
També hi ha regolit marcià, que fa referència al material del subsòl trobat a Mart.Actualment, les agències espacials internacionals no poden recuperar aquest material, però això no ha impedit que els científics investiguin el seu potencial en determinats projectes aeroespacials.Els investigadors estan utilitzant exemplars simulats d'aquest material i el combinen amb un aliatge de titani per produir eines o components de coets.Els resultats inicials indiquen que aquest material proporcionarà una major resistència i protegirà l'equip de l'oxidació i els danys per radiació.Tot i que aquests dos materials tenen propietats similars, el regolit lunar segueix sent el material més provat.Un altre avantatge és que aquests materials es poden fabricar in situ sense necessitat de transportar matèries primeres des de la Terra.A més, el regolit és una font material inesgotable, que ajuda a prevenir l'escassetat.
Les aplicacions de la tecnologia d'impressió 3D a la indústria aeroespacial
Les aplicacions de la tecnologia d'impressió 3D a la indústria aeroespacial poden variar segons el procés específic utilitzat.Per exemple, la fusió làser de pols (L-PBF) es pot utilitzar per fabricar peces complicades a curt termini, com ara sistemes d'eines o recanvis espacials.Launcher, una startup amb seu a Califòrnia, va utilitzar la tecnologia d'impressió 3D de metall de safir de Velo3D per millorar el seu motor de coets líquids E-2.El procés del fabricant es va utilitzar per crear la turbina d'inducció, que juga un paper crucial en l'acceleració i la conducció de LOX (oxigen líquid) a la cambra de combustió.La turbina i el sensor es van imprimir amb tecnologia d'impressió 3D i després es van muntar.Aquest component innovador proporciona al coet un major cabal de fluid i una major empenta, el que el converteix en una part essencial del motor
Velo3D va contribuir a l'ús de la tecnologia PBF en la fabricació del motor de coet líquid E-2.
La fabricació additiva té aplicacions àmplies, inclosa la producció d'estructures petites i grans.Per exemple, les tecnologies d'impressió 3D com la solució Stargate de Relativity Space es poden utilitzar per fabricar peces grans com ara dipòsits de combustible de coets i pales d'hèlix.Relativity Space ho ha demostrat a través de la producció reeixida del Terran 1, un coet imprès gairebé completament en 3D, que inclou un dipòsit de combustible de diversos metres de llarg.El seu primer llançament el 23 de març de 2023 va demostrar l'eficiència i la fiabilitat dels processos de fabricació additiva.
La tecnologia d'impressió 3D basada en extrusió també permet la producció de peces utilitzant materials d'alt rendiment com el PEEK.Els components fets d'aquest termoplàstic ja s'han provat a l'espai i es van col·locar al rover Rashid com a part de la missió lunar dels Emirats Àrabs Units.L'objectiu d'aquesta prova era avaluar la resistència del PEEK a condicions lunars extremes.Si té èxit, PEEK pot substituir peces metàl·liques en situacions en què les peces metàl·liques es trenquen o els materials són escassos.A més, les propietats lleugeres de PEEK poden ser de valor en l'exploració espacial.
La tecnologia d'impressió 3D es pot utilitzar per fabricar una varietat de peces per a la indústria aeroespacial.
Avantatges de la impressió 3D a la indústria aeroespacial
Els avantatges de la impressió 3D a la indústria aeroespacial inclouen la millora de l'aspecte final de les peces en comparació amb les tècniques de construcció tradicionals.Johannes Homa, director general del fabricant austríac d'impressores 3D Lithoz, va afirmar que "aquesta tecnologia fa que les peces siguin més lleugeres".A causa de la llibertat de disseny, els productes impresos en 3D són més eficients i requereixen menys recursos.Això té un impacte positiu en l'impacte ambiental de la producció de peces.Relativity Space ha demostrat que la fabricació additiva pot reduir significativament el nombre de components necessaris per fabricar naus espacials.Per al coet Terran 1, es van salvar 100 peces.A més, aquesta tecnologia té avantatges importants en la velocitat de producció, ja que el coet es completa en menys de 60 dies.En canvi, la fabricació d'un coet amb mètodes tradicionals podria trigar diversos anys.
Pel que fa a la gestió de recursos, la impressió 3D pot estalviar materials i, en alguns casos, fins i tot permetre el reciclatge de residus.Finalment, la fabricació additiva pot esdevenir un actiu valuós per reduir el pes d'enlairament dels coets.L'objectiu és maximitzar l'ús de materials locals, com ara el regolit, i minimitzar el transport de materials dins de les naus espacials.Això permet portar només una impressora 3D, que pot crear-ho tot al lloc després del viatge.
Made in Space ja ha enviat una de les seves impressores 3D a l'espai per provar-la.
Limitacions de la impressió 3D a l'espai
Tot i que la impressió 3D té molts avantatges, la tecnologia encara és relativament nova i té limitacions.Advenit Makaya va afirmar: "Un dels principals problemes de la fabricació additiva a la indústria aeroespacial és el control i la validació de processos".Els fabricants poden entrar al laboratori i provar la resistència, la fiabilitat i la microestructura de cada peça abans de la validació, un procés conegut com a assaig no destructiu (NDT).No obstant això, això pot ser molt llarg i costós, de manera que l'objectiu final és reduir la necessitat d'aquestes proves.La NASA va establir recentment un centre per abordar aquest problema, centrat en la certificació ràpida de components metàl·lics fabricats mitjançant la fabricació additiva.El centre pretén utilitzar bessons digitals per millorar els models informàtics de productes, cosa que ajudarà els enginyers a comprendre millor el rendiment i les limitacions de les peces, inclosa la pressió que poden suportar abans de la fractura.D'aquesta manera, el centre espera ajudar a promoure l'aplicació de la impressió 3D a la indústria aeroespacial, fent-la més efectiva per competir amb les tècniques de fabricació tradicionals.
Aquests components han estat sotmesos a proves exhaustives de fiabilitat i resistència.
D'altra banda, el procés de verificació és diferent si la fabricació es fa a l'espai.Advenit Makaya de l'ESA explica: "Hi ha una tècnica que consisteix a analitzar les peces durant la impressió".Aquest mètode ajuda a determinar quins productes impresos són adequats i quins no.A més, hi ha un sistema d'autocorrecció per a impressores 3D destinades a l'espai i s'està provant en màquines metàl·liques.Aquest sistema pot identificar possibles errors en el procés de fabricació i modificar automàticament els seus paràmetres per corregir qualsevol defecte de la peça.S'espera que aquests dos sistemes millorin la fiabilitat dels productes impresos a l'espai.
Per validar les solucions d'impressió 3D, la NASA i l'ESA han establert estàndards.Aquestes normes inclouen una sèrie de proves per determinar la fiabilitat de les peces.Consideren la tecnologia de fusió en llit de pols i les actualitzen per a altres processos.No obstant això, molts actors importants de la indústria dels materials, com Arkema, BASF, Dupont i Sabic, també proporcionen aquesta traçabilitat.
Viure a l'espai?
Amb l'avenç de la tecnologia d'impressió 3D, hem vist molts projectes d'èxit a la Terra que utilitzen aquesta tecnologia per construir cases.Això ens fa preguntar-nos si aquest procés es podria utilitzar en un futur proper o llunyà per construir estructures habitables a l'espai.Si bé viure a l'espai actualment no és realista, construir cases, especialment a la Lluna, pot ser beneficiós per als astronautes en l'execució de missions espacials.L'objectiu de l'Agència Espacial Europea (ESA) és construir cúpules a la Lluna amb regolita lunar, que es pot utilitzar per construir parets o maons per protegir els astronautes de la radiació.Segons Advenit Makaya de l'ESA, el regolit lunar es compon d'aproximadament un 60% de metall i un 40% d'oxigen i és un material essencial per a la supervivència dels astronautes perquè pot proporcionar una font infinita d'oxigen si s'extreu d'aquest material.
La NASA ha atorgat una subvenció de 57,2 milions de dòlars a ICON per desenvolupar un sistema d'impressió 3D per construir estructures a la superfície lunar i també col·labora amb la companyia per crear un hàbitat Mars Dune Alpha.L'objectiu és provar les condicions de vida a Mart fent que voluntaris visquin en un hàbitat durant un any, simulant les condicions al Planeta Roig.Aquests esforços representen passos crítics per construir directament estructures impreses en 3D a la Lluna i Mart, que eventualment podrien obrir el camí per a la colonització espacial humana.
En un futur llunyà, aquestes cases podrien permetre la vida a l'espai.
Hora de publicació: 14-juny-2023