20. yüzyıldan beri insanlık, uzayı keşfetmek ve Dünya'nın ötesinde ne olduğunu anlamakla büyülenmiştir. NASA ve ESA gibi büyük kuruluşlar uzay keşfinin ön saflarında yer alırken, bu fetihte önemli bir diğer oyuncu da 3D baskıdır. Karmaşık parçaları düşük maliyetle hızlı bir şekilde üretme yeteneğiyle bu tasarım teknolojisi şirketlerde giderek daha popüler hale geliyor. Uydular, uzay giysileri ve roket bileşenleri gibi birçok uygulamanın yaratılmasını mümkün kılıyor. Aslında, SmarTech'e göre, özel uzay endüstrisi eklemeli imalatının piyasa değerinin 2026 yılına kadar 2,1 milyar Euro'ya ulaşması bekleniyor. Bu da şu soruyu gündeme getiriyor: 3D baskı, insanların uzayda başarılı olmasına nasıl yardımcı olabilir?
Başlangıçta, 3D baskı esas olarak tıp, otomotiv ve havacılık endüstrilerinde hızlı prototipleme için kullanılıyordu. Ancak, teknoloji daha yaygın hale geldikçe, nihai amaçlı bileşenler için de giderek daha fazla kullanılmaktadır. Metal katkılı üretim teknolojisi, özellikle L-PBF, aşırı uzay koşullarına uygun özelliklere ve dayanıklılığa sahip çeşitli metallerin üretimine olanak sağlamıştır. DED, bağlayıcı püskürtme ve ekstrüzyon işlemi gibi diğer 3D baskı teknolojileri de havacılık bileşenlerinin üretiminde kullanılmaktadır. Son yıllarda, Made in Space ve Relativity Space gibi şirketlerin 3D baskı teknolojisini havacılık bileşenleri tasarlamak için kullanmasıyla yeni iş modelleri ortaya çıkmıştır.
Relativity Space, havacılık ve uzay endüstrisi için 3D yazıcı geliştiriyor.
Havacılık ve uzay sektöründe 3D baskı teknolojisi
Şimdi bu teknolojileri tanıttığımıza göre, havacılık ve uzay endüstrisinde kullanılan çeşitli 3D baskı teknolojilerine daha yakından bakalım. Öncelikle, metal katkılı imalatın, özellikle L-PBF'nin, bu alanda en yaygın kullanılan yöntem olduğunu belirtmek gerekir. Bu işlem, metal tozunu katman katman eritmek için lazer enerjisi kullanmayı içerir. Özellikle küçük, karmaşık, hassas ve özelleştirilmiş parçaların üretimi için uygundur. Havacılık ve uzay üreticileri ayrıca, metal tel veya tozun biriktirilmesini içeren ve esas olarak onarım, kaplama veya özelleştirilmiş metal veya seramik parçaların üretimi için kullanılan DED'den de faydalanabilirler.
Öte yandan, bağlayıcı püskürtme yöntemi, üretim hızı ve düşük maliyet açısından avantajlı olsa da, son ürünün üretim süresini artıran işlem sonrası güçlendirme adımları gerektirdiğinden, yüksek performanslı mekanik parçaların üretimi için uygun değildir. Ekstrüzyon teknolojisi de uzay ortamında etkilidir. Tüm polimerlerin uzayda kullanıma uygun olmadığı, ancak PEEK gibi yüksek performanslı plastiklerin mukavemetleri nedeniyle bazı metal parçaların yerini alabileceği belirtilmelidir. Bununla birlikte, bu 3D baskı süreci henüz çok yaygın değil, ancak yeni malzemeler kullanılarak uzay araştırmaları için değerli bir varlık haline gelebilir.
Lazer Toz Yataklı Füzyon (L-PBF), havacılık ve uzay sektöründe 3 boyutlu baskıda yaygın olarak kullanılan bir teknolojidir.
Uzay Malzemelerinin Potansiyeli
Havacılık ve uzay endüstrisi, 3D baskı yoluyla yeni malzemeler keşfediyor ve piyasayı alt üst edebilecek yenilikçi alternatifler sunuyor. Titanyum, alüminyum ve nikel-krom alaşımları gibi metaller her zaman ana odak noktası olsa da, yakında yeni bir malzeme dikkatleri üzerine çekebilir: Ay tozu (regolit). Ay tozu, Ay'ı kaplayan bir toz tabakasıdır ve ESA, bunun 3D baskı ile birleştirilmesinin faydalarını göstermiştir. ESA'da kıdemli üretim mühendisi olan Advenit Makaya, ay tozunu esas olarak silikon ve demir, magnezyum, alüminyum ve oksijen gibi diğer kimyasal elementlerden oluşan betona benzer bir malzeme olarak tanımlıyor. ESA, gerçek ay tozuna benzer özelliklere sahip simüle edilmiş ay tozu kullanarak vida ve dişli gibi küçük fonksiyonel parçalar üretmek için Lithoz ile ortaklık kurmuştur.
Ay toprağının üretiminde kullanılan işlemlerin çoğu ısıyı kullanır; bu da onu SLS ve toz bağlama baskı çözümleri gibi teknolojilerle uyumlu hale getirir. ESA ayrıca, magnezyum klorürü malzemelerle karıştırıp simüle edilmiş numunede bulunan magnezyum oksit ile birleştirerek katı parçalar üretme amacıyla D-Shape teknolojisini de kullanmaktadır. Bu ay malzemesinin önemli avantajlarından biri, en yüksek hassasiyette parçalar üretmeyi sağlayan daha ince baskı çözünürlüğüdür. Bu özellik, gelecekteki ay üsleri için uygulama alanlarını genişletmede ve bileşen üretmede temel bir varlık haline gelebilir.
Ay yüzeyindeki regolit her yerde bulunur.
Mars'ta bulunan yüzey altı malzemeyi ifade eden Mars regolitinden de bahsedilebilir. Şu anda uluslararası uzay ajansları bu malzemeyi çıkaramıyor, ancak bu durum bilim insanlarının bazı uzay projelerinde potansiyelini araştırmalarını engellemedi. Araştırmacılar bu malzemenin simüle edilmiş örneklerini kullanıyor ve alet veya roket bileşenleri üretmek için titanyum alaşımıyla birleştiriyorlar. İlk sonuçlar, bu malzemenin daha yüksek mukavemet sağlayacağını ve ekipmanı paslanmaya ve radyasyon hasarına karşı koruyacağını gösteriyor. Bu iki malzemenin benzer özelliklere sahip olmasına rağmen, ay regolit hala en çok test edilen malzemedir. Bir diğer avantajı ise bu malzemelerin Dünya'dan ham madde taşımaya gerek kalmadan yerinde üretilebilmesidir. Ayrıca, regolit tükenmez bir malzeme kaynağıdır ve kıtlığın önlenmesine yardımcı olur.
Havacılık ve uzay endüstrisinde 3 boyutlu baskı teknolojisinin uygulamaları
Havacılık ve uzay endüstrisinde 3D baskı teknolojisinin uygulamaları, kullanılan özel sürece bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Örneğin, lazer toz yataklı füzyon (L-PBF), alet sistemleri veya uzay yedek parçaları gibi karmaşık kısa vadeli parçaların üretiminde kullanılabilir. Kaliforniya merkezli bir girişim olan Launcher, E-2 sıvı roket motorunu geliştirmek için Velo3D'nin safir metal 3D baskı teknolojisini kullandı. Üreticinin süreci, LOX'u (sıvı oksijen) yanma odasına hızlandırmada ve itmede kritik bir rol oynayan indüksiyon türbinini oluşturmak için kullanıldı. Türbin ve sensörün her biri 3D baskı teknolojisi kullanılarak basıldı ve ardından birleştirildi. Bu yenilikçi bileşen, rokete daha fazla akışkan akışı ve daha fazla itme gücü sağlayarak motorun önemli bir parçası haline geldi.
Velo3D, E-2 sıvı roket motorunun üretiminde PBF teknolojisinin kullanımına katkıda bulundu.
Eklemeli imalatın, küçük ve büyük yapıların üretimi de dahil olmak üzere geniş uygulama alanları vardır. Örneğin, Relativity Space'in Stargate çözümü gibi 3 boyutlu baskı teknolojileri, roket yakıt depoları ve pervane kanatları gibi büyük parçaların üretiminde kullanılabilir. Relativity Space, birkaç metre uzunluğundaki yakıt deposu da dahil olmak üzere neredeyse tamamen 3 boyutlu baskı ile üretilen Terran 1 roketinin başarılı üretimiyle bunu kanıtlamıştır. 23 Mart 2023'teki ilk fırlatılışı, eklemeli imalat süreçlerinin verimliliğini ve güvenilirliğini göstermiştir.
Ekstrüzyon tabanlı 3D baskı teknolojisi, PEEK gibi yüksek performanslı malzemeler kullanılarak parça üretimine de olanak tanır. Bu termoplastikten yapılan bileşenler uzayda test edilmiş ve BAE'nin ay görevinin bir parçası olarak Rashid gezici aracına yerleştirilmiştir. Bu testin amacı, PEEK'in aşırı ay koşullarına karşı direncini değerlendirmekti. Başarılı olursa, PEEK, metal parçaların kırıldığı veya malzemelerin kıt olduğu durumlarda metal parçaların yerini alabilir. Ayrıca, PEEK'in hafif özellikleri uzay araştırmalarında da değerli olabilir.
3 boyutlu yazıcı teknolojisi, havacılık ve uzay endüstrisi için çeşitli parçaların üretiminde kullanılabilir.
Havacılık ve uzay endüstrisinde 3 boyutlu baskının avantajları
Havacılık ve uzay endüstrisinde 3D baskının avantajları arasında, geleneksel üretim tekniklerine kıyasla parçaların nihai görünümünde iyileşme yer almaktadır. Avusturyalı 3D yazıcı üreticisi Lithoz'un CEO'su Johannes Homa, "bu teknoloji parçaları daha hafif hale getiriyor" demiştir. Tasarım özgürlüğü sayesinde, 3D baskılı ürünler daha verimlidir ve daha az kaynak gerektirir. Bu da parça üretiminin çevresel etkisine olumlu bir katkı sağlar. Relativity Space, eklemeli imalatın uzay araçlarının üretiminde gereken bileşen sayısını önemli ölçüde azaltabileceğini göstermiştir. Terran 1 roketi için 100 parça tasarruf edilmiştir. Ayrıca, bu teknoloji üretim hızında da önemli avantajlara sahiptir; roket 60 günden kısa sürede tamamlanmıştır. Buna karşılık, geleneksel yöntemlerle bir roket üretmek birkaç yıl sürebilir.
Kaynak yönetimi açısından, 3D baskı malzeme tasarrufu sağlayabilir ve bazı durumlarda atık geri dönüşümüne bile olanak tanıyabilir. Son olarak, eklemeli üretim, roketlerin kalkış ağırlığını azaltmak için değerli bir varlık haline gelebilir. Amaç, regolit gibi yerel malzemelerin kullanımını en üst düzeye çıkarmak ve uzay aracı içindeki malzeme taşımacılığını en aza indirmektir. Bu, yolculuktan sonra her şeyi yerinde üretebilen yalnızca bir 3D yazıcı taşımayı mümkün kılar.
Made in Space, 3D yazıcılarından birini test amacıyla uzaya gönderdi bile.
Uzayda 3D baskının sınırlamaları
3D baskının birçok avantajı olmasına rağmen, teknoloji hala nispeten yeni ve sınırlamaları var. Advenit Makaya, "Havacılık ve uzay endüstrisinde eklemeli imalatın en büyük sorunlarından biri süreç kontrolü ve doğrulamasıdır" dedi. Üreticiler, doğrulamadan önce her parçanın mukavemetini, güvenilirliğini ve mikro yapısını test etmek için laboratuvara girebilirler; bu işlem tahribatsız test (NDT) olarak bilinir. Ancak bu hem zaman alıcı hem de pahalı olabilir, bu nedenle nihai hedef bu testlere olan ihtiyacı azaltmaktır. NASA, bu sorunu ele almak için yakın zamanda eklemeli imalatla üretilen metal bileşenlerin hızlı sertifikasyonuna odaklanan bir merkez kurdu. Merkez, ürünlerin bilgisayar modellerini iyileştirmek için dijital ikizleri kullanmayı amaçlıyor; bu da mühendislerin parçaların performansını ve sınırlamalarını, kırılmadan önce ne kadar basınca dayanabilecekleri de dahil olmak üzere daha iyi anlamalarına yardımcı olacak. Bunu yaparak, merkez, 3D baskının havacılık ve uzay endüstrisindeki uygulamasını teşvik etmeyi ve geleneksel üretim teknikleriyle rekabet etmede daha etkili hale getirmeyi umuyor.
Bu bileşenler kapsamlı güvenilirlik ve dayanıklılık testlerinden geçmiştir.
Öte yandan, üretim uzayda yapılıyorsa doğrulama süreci farklıdır. ESA'dan Advenit Makaya, "Baskı sırasında parçaların analizini içeren bir teknik var" diye açıklıyor. Bu yöntem, hangi basılı ürünlerin uygun olduğunu ve hangilerinin olmadığını belirlemeye yardımcı olur. Ek olarak, uzay için tasarlanmış ve metal makinelerde test edilen bir kendi kendini düzeltme sistemi de bulunmaktadır. Bu sistem, üretim sürecindeki potansiyel hataları belirleyebilir ve parçadaki herhangi bir kusuru düzeltmek için parametrelerini otomatik olarak değiştirebilir. Bu iki sistemin, uzayda basılan ürünlerin güvenilirliğini artırması bekleniyor.
3D baskı çözümlerini doğrulamak için NASA ve ESA standartlar belirlemiştir. Bu standartlar, parçaların güvenilirliğini belirlemek için bir dizi test içermektedir. Toz yataklı füzyon teknolojisini dikkate alırlar ve diğer süreçler için de güncellenmektedirler. Bununla birlikte, Arkema, BASF, Dupont ve Sabic gibi malzeme endüstrisindeki birçok büyük oyuncu da bu izlenebilirliği sağlamaktadır.
Uzayda yaşamak mı?
3 boyutlu baskı teknolojisindeki ilerlemeyle birlikte, bu teknolojiyi ev inşa etmek için kullanan birçok başarılı projeyi Dünya'da gördük. Bu da, bu sürecin yakın veya uzak gelecekte uzayda yaşanabilir yapılar inşa etmek için kullanılıp kullanılamayacağını merak etmemize neden oluyor. Uzayda yaşamak şu anda gerçekçi olmasa da, özellikle ayda ev inşa etmek, astronotların uzay görevlerini yerine getirmelerinde faydalı olabilir. Avrupa Uzay Ajansı'nın (ESA) amacı, astronotları radyasyondan korumak için duvar veya tuğla yapımında kullanılabilecek ay toprağını kullanarak ayda kubbeler inşa etmektir. ESA'dan Advenit Makaya'ya göre, ay toprağı yaklaşık %60 metal ve %40 oksijenden oluşuyor ve bu malzemeden çıkarıldığında sonsuz bir oksijen kaynağı sağlayabildiği için astronotların hayatta kalması için hayati bir malzemedir.
NASA, Ay yüzeyinde yapılar inşa etmek için 3 boyutlu baskı sistemi geliştirmek üzere ICON şirketine 57,2 milyon dolarlık bir hibe verdi ve ayrıca şirketle birlikte Mars Dune Alpha yaşam alanı oluşturmak için de iş birliği yapıyor. Amaç, gönüllülerin bir yıl boyunca Kızıl Gezegen'deki koşulları simüle eden bir yaşam alanında yaşamalarını sağlayarak Mars'taki yaşam koşullarını test etmektir. Bu çalışmalar, Ay ve Mars'ta doğrudan 3 boyutlu baskı yapılarının inşasına yönelik kritik adımları temsil ediyor ve nihayetinde insanlı uzay kolonizasyonunun yolunu açabilir.
Uzak gelecekte, bu evler uzayda yaşamın devam etmesini sağlayabilir.
Yayın tarihi: 14 Haz-2023
