Dal 20° secolo, la razza umana è stata affascinata dall'esplorazione dello spazio e dalla comprensione di ciò che si trova oltre la Terra.Grandi organizzazioni come la NASA e l'ESA sono state in prima linea nell'esplorazione spaziale e un altro attore importante in questa conquista è la stampa 3D.Con la capacità di produrre rapidamente parti complesse a basso costo, questa tecnologia di progettazione sta diventando sempre più popolare nelle aziende.Rende possibile la creazione di molte applicazioni, come satelliti, tute spaziali e componenti di razzi.In effetti, secondo SmarTech, il valore di mercato della produzione additiva dell'industria spaziale privata dovrebbe raggiungere i 2,1 miliardi di euro entro il 2026. Ciò solleva la domanda: in che modo la stampa 3D può aiutare gli esseri umani a eccellere nello spazio?
Inizialmente, la stampa 3D veniva utilizzata principalmente per la prototipazione rapida nei settori medico, automobilistico e aerospaziale.Tuttavia, poiché la tecnologia è diventata più diffusa, viene utilizzata sempre più per componenti finali.La tecnologia di produzione di additivi metallici, in particolare L-PBF, ha consentito la produzione di una varietà di metalli con caratteristiche e durata adatte a condizioni di spazio estreme.Altre tecnologie di stampa 3D, come DED, binder jetting e processo di estrusione, vengono utilizzate anche nella produzione di componenti aerospaziali.Negli ultimi anni sono emersi nuovi modelli di business, con aziende come Made in Space e Relativity Space che utilizzano la tecnologia di stampa 3D per progettare componenti aerospaziali.
Relativity Space sviluppa una stampante 3D per l'industria aerospaziale
Tecnologia di stampa 3D nel settore aerospaziale
Ora che li abbiamo introdotti, diamo un'occhiata più da vicino alle varie tecnologie di stampa 3D utilizzate nell'industria aerospaziale.Innanzitutto, va notato che la produzione additiva di metalli, in particolare L-PBF, è la più utilizzata in questo campo.Questo processo prevede l'utilizzo dell'energia laser per fondere la polvere metallica strato dopo strato.È particolarmente adatto per la produzione di pezzi piccoli, complessi, precisi e personalizzati.Anche i produttori aerospaziali possono trarre vantaggio dal DED, che prevede il deposito di filo metallico o polvere e viene utilizzato principalmente per riparare, rivestire o produrre parti metalliche o ceramiche personalizzate.
Al contrario, il binder jetting, sebbene vantaggioso in termini di velocità di produzione e basso costo, non è adatto alla realizzazione di parti meccaniche ad alte prestazioni perché richiede fasi di rinforzo post-lavorazione che aumentano i tempi di realizzazione del prodotto finale.La tecnologia di estrusione è efficace anche nell'ambiente spaziale.Va notato che non tutti i polimeri sono adatti all'uso nello spazio, ma le materie plastiche ad alte prestazioni come il PEEK possono sostituire alcune parti metalliche grazie alla loro resistenza.Tuttavia, questo processo di stampa 3D è ancora poco diffuso, ma può diventare una risorsa preziosa per l'esplorazione dello spazio utilizzando nuovi materiali.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) è una tecnologia ampiamente utilizzata nella stampa 3D per il settore aerospaziale.
Potenziale dei materiali spaziali
L'industria aerospaziale ha esplorato nuovi materiali attraverso la stampa 3D, proponendo alternative innovative che potrebbero sconvolgere il mercato.Mentre metalli come il titanio, l'alluminio e le leghe di nichel-cromo sono sempre stati l'obiettivo principale, un nuovo materiale potrebbe presto rubare i riflettori: la regolite lunare.La regolite lunare è uno strato di polvere che ricopre la luna e l'ESA ha dimostrato i vantaggi della combinazione con la stampa 3D.Advenit Makaya, un ingegnere di produzione senior dell'ESA, descrive la regolite lunare come simile al cemento, costituita principalmente da silicio e altri elementi chimici come ferro, magnesio, alluminio e ossigeno.L'ESA ha collaborato con Lithoz per produrre piccole parti funzionali come viti e ingranaggi utilizzando la regolite lunare simulata con proprietà simili alla vera polvere lunare.
La maggior parte dei processi coinvolti nella produzione della regolite lunare utilizza il calore, rendendolo compatibile con tecnologie come SLS e soluzioni di stampa con incollaggio a polvere.L'ESA utilizza anche la tecnologia D-Shape con l'obiettivo di produrre parti solide mescolando cloruro di magnesio con materiali e combinandolo con l'ossido di magnesio trovato nel campione simulato.Uno dei vantaggi significativi di questo materiale lunare è la sua risoluzione di stampa più fine, che gli consente di produrre parti con la massima precisione.Questa caratteristica potrebbe diventare la risorsa principale per espandere la gamma di applicazioni e componenti di produzione per le future basi lunari.
La regolite lunare è ovunque
C'è anche la regolite marziana, che si riferisce al materiale del sottosuolo trovato su Marte.Attualmente le agenzie spaziali internazionali non possono recuperare questo materiale, ma ciò non ha impedito agli scienziati di ricercarne il potenziale in alcuni progetti aerospaziali.I ricercatori stanno usando campioni simulati di questo materiale e lo stanno combinando con una lega di titanio per produrre strumenti o componenti di razzi.I risultati iniziali indicano che questo materiale fornirà una maggiore resistenza e proteggerà le apparecchiature dalla ruggine e dai danni da radiazioni.Sebbene questi due materiali abbiano proprietà simili, la regolite lunare è ancora il materiale più testato.Un altro vantaggio è che questi materiali possono essere fabbricati in loco senza la necessità di trasportare materie prime dalla Terra.Inoltre, la regolite è una fonte materiale inesauribile, che aiuta a prevenire la scarsità.
Le applicazioni della tecnologia di stampa 3D nel settore aerospaziale
Le applicazioni della tecnologia di stampa 3D nel settore aerospaziale possono variare a seconda del processo specifico utilizzato.Ad esempio, la fusione a letto di polvere laser (L-PBF) può essere utilizzata per produrre parti complesse a breve termine, come sistemi di utensili o pezzi di ricambio spaziali.Launcher, una startup con sede in California, ha utilizzato la tecnologia di stampa 3D zaffiro-metallo di Velo3D per migliorare il suo motore a razzo liquido E-2.Il processo del produttore è stato utilizzato per creare la turbina a induzione, che svolge un ruolo cruciale nell'accelerare e guidare il LOX (ossigeno liquido) nella camera di combustione.La turbina e il sensore sono stati stampati ciascuno utilizzando la tecnologia di stampa 3D e poi assemblati.Questo componente innovativo fornisce al razzo un maggiore flusso di fluido e una maggiore spinta, rendendolo una parte essenziale del motore
Velo3D ha contribuito all'uso della tecnologia PBF nella produzione del motore a razzo liquido E-2.
La produzione additiva ha ampie applicazioni, compresa la produzione di strutture piccole e grandi.Ad esempio, le tecnologie di stampa 3D come la soluzione Stargate di Relativity Space possono essere utilizzate per produrre parti di grandi dimensioni come serbatoi di carburante per razzi e pale dell'elica.Relativity Space lo ha dimostrato attraverso la produzione di successo del Terran 1, un razzo quasi interamente stampato in 3D, incluso un serbatoio di carburante lungo diversi metri.Il suo primo lancio, il 23 marzo 2023, ha dimostrato l'efficienza e l'affidabilità dei processi di produzione additiva.
La tecnologia di stampa 3D basata sull'estrusione consente anche la produzione di parti utilizzando materiali ad alte prestazioni come il PEEK.I componenti realizzati con questo termoplastico sono già stati testati nello spazio e sono stati posizionati sul rover Rashid come parte della missione lunare degli Emirati Arabi Uniti.Lo scopo di questo test era valutare la resistenza del PEEK alle condizioni lunari estreme.In caso di successo, il PEEK potrebbe essere in grado di sostituire le parti metalliche in situazioni in cui le parti metalliche si rompono o i materiali sono scarsi.Inoltre, le proprietà leggere del PEEK possono essere utili nell'esplorazione dello spazio.
La tecnologia di stampa 3D può essere utilizzata per produrre una varietà di parti per l'industria aerospaziale.
Vantaggi della stampa 3D nel settore aerospaziale
I vantaggi della stampa 3D nel settore aerospaziale includono un migliore aspetto finale delle parti rispetto alle tecniche di costruzione tradizionali.Johannes Homa, CEO del produttore austriaco di stampanti 3D Lithoz, ha affermato che "questa tecnologia rende le parti più leggere".Grazie alla libertà di progettazione, i prodotti stampati in 3D sono più efficienti e richiedono meno risorse.Ciò ha un impatto positivo sull'impatto ambientale della produzione di parti.Relativity Space ha dimostrato che la produzione additiva può ridurre significativamente il numero di componenti necessari per fabbricare veicoli spaziali.Per il razzo Terran 1, sono state salvate 100 parti.Inoltre, questa tecnologia presenta notevoli vantaggi in termini di velocità di produzione, con il completamento del razzo in meno di 60 giorni.Al contrario, la produzione di un razzo con metodi tradizionali potrebbe richiedere diversi anni.
Per quanto riguarda la gestione delle risorse, la stampa 3D può far risparmiare materiali e, in alcuni casi, anche consentire il riciclaggio dei rifiuti.Infine, la produzione additiva può diventare una risorsa preziosa per ridurre il peso al decollo dei razzi.L'obiettivo è massimizzare l'uso di materiali locali, come la regolite, e ridurre al minimo il trasporto di materiali all'interno dei veicoli spaziali.Ciò consente di trasportare solo una stampante 3D, che può creare tutto sul posto dopo il viaggio.
Made in Space ha già inviato una delle sue stampanti 3D nello spazio per i test.
Limitazioni della stampa 3D nello spazio
Sebbene la stampa 3D abbia molti vantaggi, la tecnologia è ancora relativamente nuova e presenta dei limiti.Advenit Makaya ha dichiarato: "Uno dei principali problemi con la produzione additiva nell'industria aerospaziale è il controllo e la convalida dei processi".I produttori possono entrare nel laboratorio e testare la resistenza, l'affidabilità e la microstruttura di ciascuna parte prima della convalida, un processo noto come test non distruttivo (NDT).Tuttavia, questo può richiedere molto tempo e denaro, quindi l'obiettivo finale è ridurre la necessità di questi test.La NASA ha recentemente istituito un centro per affrontare questo problema, incentrato sulla rapida certificazione dei componenti metallici prodotti dalla produzione additiva.Il centro mira a utilizzare i gemelli digitali per migliorare i modelli computerizzati dei prodotti, che aiuteranno gli ingegneri a comprendere meglio le prestazioni e i limiti delle parti, inclusa la pressione che possono sopportare prima della frattura.In tal modo, il centro spera di contribuire a promuovere l'applicazione della stampa 3D nell'industria aerospaziale, rendendola più efficace nella competizione con le tecniche di produzione tradizionali.
Questi componenti sono stati sottoposti a test completi di affidabilità e resistenza.
D'altra parte, il processo di verifica è diverso se la produzione viene effettuata nello spazio.Advenit Makaya dell'ESA spiega: "Esiste una tecnica che prevede l'analisi delle parti durante la stampa".Questo metodo aiuta a determinare quali prodotti stampati sono adatti e quali no.Inoltre, esiste un sistema di autocorrezione per stampanti 3D destinate allo spazio ed è in fase di sperimentazione su macchine metalliche.Questo sistema può identificare potenziali errori nel processo di produzione e modificare automaticamente i suoi parametri per correggere eventuali difetti nella parte.Questi due sistemi dovrebbero migliorare l'affidabilità dei prodotti stampati nello spazio.
Per convalidare le soluzioni di stampa 3D, la NASA e l'ESA hanno stabilito degli standard.Questi standard includono una serie di test per determinare l'affidabilità delle parti.Considerano la tecnologia di fusione a letto di polvere e la stanno aggiornando per altri processi.Tuttavia, anche molti dei principali attori dell'industria dei materiali, come Arkema, BASF, Dupont e Sabic, forniscono questa tracciabilità.
Vivere nello spazio?
Con il progresso della tecnologia di stampa 3D, abbiamo visto molti progetti di successo sulla Terra che utilizzano questa tecnologia per costruire case.Questo ci fa domandare se questo processo possa essere utilizzato in un futuro prossimo o lontano per costruire strutture abitabili nello spazio.Mentre vivere nello spazio è attualmente irrealistico, costruire case, in particolare sulla luna, può essere vantaggioso per gli astronauti nell'esecuzione di missioni spaziali.L'obiettivo dell'Agenzia spaziale europea (ESA) è costruire cupole sulla luna utilizzando la regolite lunare, che può essere utilizzata per costruire muri o mattoni per proteggere gli astronauti dalle radiazioni.Secondo Advenit Makaya dell'ESA, la regolite lunare è composta da circa il 60% di metallo e il 40% di ossigeno ed è un materiale essenziale per la sopravvivenza degli astronauti perché può fornire una fonte infinita di ossigeno se estratta da questo materiale.
La NASA ha assegnato una sovvenzione di 57,2 milioni di dollari a ICON per lo sviluppo di un sistema di stampa 3D per la costruzione di strutture sulla superficie lunare e sta anche collaborando con la società per creare un habitat Mars Dune Alpha.L'obiettivo è testare le condizioni di vita su Marte facendo vivere i volontari in un habitat per un anno, simulando le condizioni sul Pianeta Rosso.Questi sforzi rappresentano passi fondamentali verso la costruzione diretta di strutture stampate in 3D sulla Luna e su Marte, che potrebbero eventualmente aprire la strada alla colonizzazione umana dello spazio.
In un lontano futuro, queste case potrebbero permettere alla vita di sopravvivere nello spazio.
Tempo di pubblicazione: 14-giu-2023