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Le nouveau potentiel de l'impression 3D: migration interstellaire et développement de l'espace

Nov 27, 2020

Utilisant la technologie informatique 3D, la technologie de fabrication additive d'objets de construction par accumulation couche par couche de matériaux devient de plus en plus à l'avant-garde de la fabrication d'équipements spatiaux. Les scientifiques pensent que l'impression 3D peut accélérer considérablement le développement de l'espace extraterrestre. Comment optimiser le" fabrication spatiale" d'imprimantes 3D et améliorer la sécurité des composants imprimés? Comment utiliser les nouvelles technologies pour créer des systèmes optiques ultra-légers pour les nanosatellites? Des chercheurs d'universités russes (membres du projet" 5-100") ont présenté leurs derniers développements.

space discovery

L'un des principaux avantages de la nouvelle méthode est qu'une imprimante 3D peut remplacer un grand nombre d'équipements dans une usine traditionnelle. En novembre 2020, le magazine Forbes a inclus la technologie de fabrication additive (du latin additivus-add) sur la liste des cinq nouvelles technologies révolutionnaires dignes de l'attention des entrepreneurs. L'auteur de l'article a souligné que la technologie de fabrication additive apportera d'énormes avantages à l'industrie aérospatiale. Dans ce domaine, le poids du produit est généralement le facteur le plus important affectant les coûts de transport.


L'impression spatiale 3D peut accélérer considérablement le développement de l'espace extraterrestre; la technologie de fabrication additive pénètre également activement l'industrie de la fabrication de fusées.


Le 30 mai 2020, les casques des astronautes Robert Bacon et Doug Hurley qui ont participé au lancement du vaisseau spatial Crew Dragon et de la fusée Falcon 9 ont été adaptés à l'aide de la technologie d'impression 3D.


Elon Musk, directeur de SpaceX Aerospace Corporation, a déclaré qu'en utilisant l'impression 3D, des pièces de moteur durables et hautes performances peuvent être fabriquées et que le temps et l'argent dépensés ne représentent qu'une petite partie des méthodes de fabrication traditionnelles. En 2014, SpaceX avait déjà fabriqué le premier composant imprimé en 3D.


GG «Blue Origin GG». La société aérospatiale Jeff Bezos utilise la technologie de fabrication additive pour imprimer les composants du moteur BE-4. Les jeunes entreprises de fusées des États-Unis (Relativistic Space) et du Royaume-Uni (Obex) envisagent également de tirer pleinement parti des possibilités des imprimantes 3D.


Améliorez la sécurité des composants 3D

3D Printing For Space

Dans le même temps, même les plus petits défauts des composants imprimés en 3D sont vitaux pour la sécurité de l'équipement créé. Les scientifiques de l'Université nationale de recherche technologique MISIS (NUST MISIS) ont pu améliorer la technologie d'impression 3D de l'aluminium et multiplier par 1,5 la dureté du produit.


Les chercheurs de NUST MISIS estiment que le principal risque de tels défauts est la grande porosité du matériau, l'une des raisons étant les caractéristiques de la poudre d'aluminium d'origine. Afin de s'assurer que la microstructure du produit imprimé est uniforme et dense, les scientifiques ont proposé une méthode d'ajout de nanofibres de carbone à la poudre d'aluminium pour assurer une faible porosité du matériau et augmenter sa dureté de 1,5 fois. Les résultats de la recherche sont publiés dans le&"Composites Communications GG". magazine.


Le professeur Alexander Gromov de NUST MISIS a déclaré: Les nanofibres de carbone ont une conductivité thermique élevée, ce qui contribue à minimiser le gradient de température entre les couches d'impression pendant l'étape de fusion sélective au laser pendant le processus de synthèse du produit. Par conséquent, le matériau L'inhomogénéité de la microstructure peut être presque complètement éliminée."


Les nanofibres de carbone utilisées sont un sous-produit du traitement du gaz associé aux champs pétrolifères. Au cours de son processus de décomposition catalytique, le carbone s'accumule sous forme de nanofibres sur les particules métalliques dispersées par le catalyseur. Les scientifiques ont également souligné que le gaz associé est généralement du&«ventilé et brûlé»&»; dans les champs de pétrole et de gaz, causant des dommages à l'environnement, de sorte que l'utilisation de cette nouvelle méthode a une importance importante pour la protection de l'environnement.


Optimiser" Space Manufacturing"


Elon Musk et d'autres experts sont convaincus que l'impression 3D peut contribuer au développement futur de l'espace, comme la colonisation de Mars.


Pour survivre sur Mars, vous devez pouvoir y démarrer la production et utiliser au mieux les matériaux locaux. L'imprimante 3D peut être utilisée pour construire une base et y construire un cadre de vie.


Même maintenant, dans le cadre des travaux de la Station spatiale internationale (ISS), le problème de l'obtention de matériaux est toujours sérieux, et les astronautes du prochain vaisseau spatial cargo doivent attendre plusieurs mois. Parfois, de petites pièces importantes sont endommagées ou perdues, par exemple, la fiche en plastique du contact électrique est souvent perdue. Dans ce cas, les imprimantes 3D peuvent résoudre ce problème en imprimant des produits en plastique dans l'espace. À l'avenir, pendant les vols interstellaires, les problèmes de disponibilité deviendront plus aigus et la demande pour de telles imprimantes augmentera inévitablement.


En 2016, la NASA a chargé Made in Space d'installer une imprimante 3D permanente sur la Station spatiale internationale afin de produire des outils, de l'équipement et tout ce dont les astronautes pourraient avoir besoin. Par la suite, certaines entreprises européennes, chinoises et autres ont également annoncé la fabrication de machines similaires.


Le chercheur qui a développé l'imprimante 3D, un scientifique de l'Université de technologie de Tomsk (TPU), a déclaré que l'imprimante 3D produite en Russie entrerait dans l'espace en 2021. Son avantage est un système modulaire plus avancé qui peut réaliser des mises à niveau et une maintenance des équipements. Par conséquent, lorsque les matériaux d'impression 3D passent des simples plastiques aux superstructures ou aux matériaux composites, les ingénieurs n'auront pas à construire de nouvelles imprimantes comme leurs collègues américains aujourd'hui et à les livrer ensuite à l'ISS.


Vasily Fedorov, chef du laboratoire de science et de production des technologies de production modernes de TPU GG, a déclaré:" Maintenant, la mise en page de travail de l'imprimante 3D est au stade final. L'équipement envoyé à l'ISS a une résistance stricte aux machines, aux intempéries et à d'autres charges. Exigence. De plus, pour s'assurer que l'imprimante 3D est absolument sûre pour les astronautes. Maintenant, tout cela est en cours d'inspection, et une série de tests et d'inspections ont été effectués. Dans le même temps, le logiciel mis en place spécifiquement pour l'imprimante a été amélioré."


Créer des systèmes optiques ultra-légers pour les nanosatellites


La possibilité d'impression 3D permet aux scientifiques de l'Université de Samara de créer un système optique ultra-léger unique pour les nanosatellites avec une optique diffractive. Les chercheurs affirment que ce sera le premier objectif du monde&avec une optique diffractive à entrer dans l'espace.


Le cœur du système optique est la lentille de diffraction plane développée à l'université, qui présente des caractéristiques uniques. La lentille basée sur cette lentille remplace le système de lentilles de la lentille longue portée moderne, et ses caractéristiques sont légères (avec des composants optiques pesant moins de 100 grammes) et de petite taille.


La lentille a une coque de forme bionique innovante et est conçue avec la meilleure technologie pour minimiser le poids tout en maintenant les caractéristiques de résistance. La forme externe complexe et la structure interne des composants de l'engin spatial sont imprimées en 3D sur l'équipement de fusion laser sélective SLM280HL.


Selon les scientifiques, afin de réduire au maximum le poids des composants, une optimisation de la topologie a été réalisée dans sa structure interne, à la suite de laquelle des blocs spéciaux en nid d'abeille ont été ajoutés. La taille de la pièce est de 70 × 80 × 100 mm. En raison de l'utilisation de la technologie de fabrication additive, son poids est environ 40% plus léger que les pièces similaires fabriquées par des méthodes traditionnelles.


Vitaly Smailov, professeur agrégé au Bureau d'enseignement et de recherche de la technologie de production de moteurs à l'Université de Samara, a déclaré:&'La coque de la lentille est faite de poudre d'alliage d'aluminium AlSi10Mg. L'alliage produit en Russie jouit d'une excellente réputation en Russie et à l'étranger. Dans le domaine de l'aérospatiale et de l'aviation, le poids est la caractéristique principale, et l'industrie a tenté de réduire cet indicateur."


Les scientifiques ont effectué une optimisation de la topologie en plusieurs étapes de la structure originale, obtenu et analysé plusieurs formes.


Anton Agapovich, chercheur à l'Université de Samara, a déclaré:" Nous avons coopéré avec des experts dans le domaine de l'optimisation de la topologie CADFEM CIS et de la technologie de fabrication additive et avons fait beaucoup de travail pour obtenir un nouveau type de structure pour répondre à la besoins de l'industrie aérospatiale mondiale Exigences modernes."


Selon les scientifiques, des produits similaires, comme l'objectif du CubeSat Gecko Imager (Gecko Imager), coûtent 23 000 euros, et le prix du système optique qu'ils développent sera bien inférieur.


Le" 5-100" plan mis en œuvre dans le cadre du&national quot; éducation" Le projet vise à aider les universités russes à accroître leur potentiel de recherche scientifique et à améliorer leur position concurrentielle sur le marché mondial des services d'enseignement.