В статье проводится анализ перспектив применения 3D-печати в условиях микрогравитации ввиду экономии времени и средств в космической отрасли. Запуски пилотируемых и грузовых космических кораблей происходят довольно редко. Вследствие этого доставка запасных частей конструкций или рабочих инструментов для космонавтов с Земли на орбиту может занять длительное время. Обеспечить быструю доступность запасных приспособлений позволит технология 3D-печати. Изготовление необходимой детали на самой орбитальной станции сократит время ожидания. Изучаются преимущества и недостатки 3D-печати в контексте космических миссий, межпланетных перелетов и экономической эффективности. Также рассматриваются материалы, необходимые для 3D-печати в условиях микрогравитации. Оценивается влияние этой технологии на инновации в космической отрасли. Делается вывод о возможности 3D-печати в космосе.
Ключевые слова: 3D-печать, аддитивное производство, состояние микрогравитации, 3D-принтер, ракетно-космическая техника, экономическая оптимизация.
Введение. В настоящее время технологии аддитивного производства активно развиваются. Применение 3D-печати космонавтами позволит упростить проблему зависимости доставки деталей с Земли. Ожидания космонавтами инструментов или дополнительных деталей занимает продолжительное время. Решением этой проблемы выступила возможность 3D-печати деталей самими космонавтами прямо на орбите. Такая возможность 3D-печати определенно является решением проблемы. Особенно актуальным будет вставать вопрос использования 3D-принтеров, к примеру, на лунной станции. Определенно можно утверждать, что в будущем проблема использования 3D-печати в космосе станет более актуальной.
Постановка цели и задач. Таким образом, цель данной работы заключается в анализе проблемы применимости 3D-печати в условиях микрогравитации. Для достижения цели были поставлены следующие задачи :
— изучить информацию об изготовленных 3D-принтерах, напечатанных образцах и выяснить разницу между 3D-печатью на Земле и в условиях микрогравитации;
— описать потенциальные технологии 3D-печати в условиях микрограцитации, рассмотреть материалы для них и выявить преимущества и недостатки;
— проанализировать перспективу применения и сделать вывод о возможности 3D-печати в условиях микрогравитации.
Основная часть.
Аддитивное производство — это процесс изготовления изделий на основе компьютерных 3D-моделей методом послойного добавления материала. Основное преимущество аддитивных технологий по сравнению с субтрактивными заключается в существенном уменьшении коэффициента использования материала. Также среди преимуществ можно выделить возможность создания сложных геометрических форм и широкую номенклатуру материалов для 3D-печати [1].
Запуски пилотируемых и грузовых космических кораблей происходят довольно редко [2]. Срочная доставка необходимых деталей и инструментов с Земли на орбиту для космонавтов представляет проблему. При выполнении межпланетных миссий такая задача становится практически нереализуемой из-за сложности и затратности данного процесса. В случае необходимости какой-либо простой детали ожидание поставки с Земли может занять значительное время. В этом случае 3D-печать становится ценным инструментом, позволяющим быстро производить нужные детали на месте. С наличием 3D-принтера на орбитальной станции изделие можно изготовить на месте в течение нескольких часов [3].
Отечественный 3D-принтер имеется на Российском сегменте МКС. В июне 2022 года он был доставлен на МКС. 3D-принтер был разработан РКК «Энергия» совместно с Томскими политехническим и государственным университетами. Космонавт Сергей Прокопьев выполнил пробную печать на 3D-принтере [4]. Командир МКС-67 Олег Артемьев провел отладку и тестирование 3D-принтера и распечатал на нем более 10 образцов. Первым космическим 3D-принтером, доставленным на МКС, является принтер американской компании «Made in Space». Указанная модель была введена в эксплуатацию в 2014 г. Американский космонавт Бэрри Уилмор изготовил на 3D-принтере гаечный ключ. В 2016 г. Китайская академия наук представила свой космический 3D-принтер [5].
Рис. 1. Российский космический 3D-принтер, разработанный РКК «Энергия» совместно с Томским политехническим и Томским государственным университетами
Рис. 2. Пробная печать на 3D-принтере космонавтом Сергеем Прокопьевым
Основное отличие 3D-печати в состоянии микрогравитации от наземных условий — это наличие микрогравитации. Космос — это сложная для работы среда. Здесь 3D-печать сталкивается с некоторыми проблемами. 3D-печать в космосе усложняется из-за отсутствия гравитации. В космосе сила тяжести уже не скрепляет слои предмета после выхода из печатающей головки. Поэтому сам материал должен быть липким и не давать слоям отделяться друг от друга. А в остальном базовая конструкция 3D-принтера для космоса остается той же. Распечатанные детали часто получаются клейкими [6].
Процесс печати на отечественном космическом 3D-принтере осуществляется с использованием технологии FDM (англ. fused deposition modeling) [5]. Эта технология основана на том, что термопластичная полимерная нить подается в экструзионную головку 3D-принтера, в которой нагревается до вязкотекучего состояния и выдавливается через сопло диаметром 0,1–0,3 мм по заданной траектории на неподвижное основание. Последующие слои укладываются на предыдущие и затвердевают по мере охлаждения. При этом послойную ориентацию укладки расплавленной полимерной нити можно изменять в соответствии с выбранным алгоритмом, регулируя анизотропию свойств в конечном изделии или прототипе [7].
Существуют другие типы 3D-печати: фотополимеризация — ультрафиолетовый лазер засвечивает жидкий фотополимер, плавление металлического порошка под действием лазерного излучения, подача проволочного материала.
Для печати технологией подачи проволочного материала необходимо наличие электричества и проволоки. Она плавится и переносится слой за слоем под действием электродуги. Применение проволочных технологий в космосе обосновано упрощением хранения и транспортировки проволоки (включая полимерную и металлическую) по сравнению с порошком. Преимущества использования проволочных технологий в космосе включают возможность работы на поверхности орбитальной станции в открытом космическом пространстве без специальной камеры, возможность построения больших объектов размерами до нескольких метров во всех направлениях, экономию материала, возможность использования двух проволок для создания сплавов, а также широкий выбор металлических сплавов для печати и высокую скорость печати изделий. Недостатки включают минимальную толщину стенок детали от 4 мм, требование использования металлической подложки из того же материала, что и изготавливаемое изделие, необходимость механической доработки деталей, ребристость поверхности из-за наплавления слоев друг на друга и высокую исходную шероховатость поверхности [3].
Заключение. Таким образом, в результате работы были проанализированы перспективы использования 3D-печати в условиях микрогравитации. Технология 3D-печати в космосе возможна и эффективна. Была изучена информация об изготовленных 3D-принтерах, напечатанных образцах и выяснена разница между 3D-печатью на Земле и в условиях микрогравитации. Описаны потенциальные технологии 3D-печати в условиях микрограцитации, рассмотрены материалы для них и выявлены преимущества и недостатки.
Литература:
- Аддитивные технологии в производстве изделий аэрокосмической техники: учебное пособие для вузов / А. Л. Галиновский, Е. С. Голубев, Н. В. Коберник, А. С. Филимонов; под общей редакцией А. Л. Галиновского. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2024. — 145 с. — (Высшее образование). — ISBN 978–5-534–16005–5.
- Пуски. — Текст: электронный // Госкорпорация «Роскосмос»: [сайт]. — URL: https://www.roscosmos.ru/launch/2024/ (дата обращения: 17.04.2024).
- Ашимов И. Н., Папазов В. М. Анализ применения проволочных технологий 3D-печати в условиях космического пространства // Космическая техника и технологии. — 2023. — № 1 (40). — С. 19–28.
- Российские космонавты используют новый отечественный 3D-принтер на орбите. — Текст: электронный // Техносфера Россия: [сайт]. — URL: https://tehnoomsk.ru/archives/6838 (дата обращения: 19.04.2024).
- Федоров В. В., Клименов В. А., Чернявский А. Г., Пожарницкий А. А., Абдулхаликов Р. М., Лямзин А. В., Криницын М. Г., Беликов Р. К., Дерусова Д. А., Юркина В. А., Дерюшева В. Н. Разработка и испытания 3D-принтера для космического эксперимента «3D-печать» на Российском сегменте Международной космической станции // Космическая техника и технологии. — 2023. — № 2 (41). — С. 24–38.
- 3D-печать покоряет космос: вызовы технологии, которая используется на орбите. — Текст: электронный // rb.ru — новые технологии, бизнес и карьера в цифровой экономике: [сайт]. — URL: https://rb.ru/story/3d-printing-challenges/ (дата обращения: 25.04.2024).
- Кондрашов С. В., Пыхтин А. А., Ларионов С. А., Сорокин А. Е. Влияние технологических режимов FDM-печати и состава используемых материалов на физико-механические характеристики FDM-моделей // Труды ВИАМ. — 2019. — № 10 (82). — С. 34–49.
