Løsning af udfordringerne ved langvarig rumflyvning med 3-D-print

Den Internationale Rumstation har uafbrudt været hjemsted for astronauter i mere end nitten år. Astronauter udfører videnskabelig forskning ved hjælp af snesevis af specielle faciliteter ombord på rumstationen, som også giver dem et sted at spise, søvn, slappe af og træne. For at gøre alt dette muligt skal du sende mere end 7, 000 pund reservedele til stationen årligt. Yderligere 29, 000 pounds af reservedele til rumflyvninger er opbevaret ombord på stationen og yderligere 39, 000 på jorden, klar til at flyve hvis nødvendigt.

Dette logistikstøttesystem fungerer godt for et rumfartøj, der kredser 250 miles over Jorden og er let tilgængeligt for lastforsyningsmissioner. Det er ikke praktisk til fremtidige missioner til Månen og Mars, imidlertid. Astronauter på disse lange rejser skal være i stand til at lave deres egne reservedele, værktøjer og materialer i det væsentlige efter behov – både til rutinemæssige behov og til hurtigt at tilpasse sig uforudsete behov. In-space manufacturing (ISM) ved hjælp af 3-D printteknologi kunne være et svar.

ISM-projektet ved NASA Marshall Space Flight Center (MSFC) og dets kommercielle partnere bruger rumstationen til at teste forskellige teknologier for at give denne kapacitet. Den fysikbaserede modelleringsgruppe i NASA Ames Research Center giver yderligere analyse- og modelleringsstøtte.

Projektet sendte den første 3D-printer til rumstationen i 2014. Udviklet af Made in Space, denne printer brugte en smeltet filamentfremstillingsproces (FFF), at føre en kontinuerlig tråd af plastik gennem en opvarmet ekstruder og på en bakke lag for lag for at skabe et tredimensionelt objekt. 3-D Printing in Zero G-undersøgelsen producerede snesevis af dele, som forskere analyserede og sammenlignede med dem, der blev lavet på jorden. Analyse afslørede, at mikrogravitation ikke havde nogen ingeniørmæssig signifikant effekt på processen, demonstrerer, at en 3-D-printer fungerer normalt i rummet og baner vejen for nye logistiksystemer til langvarige missioner.

"Vores nuværende hypotese baseret på hidtil arbejde er, at denne særlige 3-D printproces ikke påvirkes væsentligt af mikrotyngdekraften, " sagde medforsker Tracie Prater, en materialeingeniør hos MSFC. "Der var nogle forskelle i flyve- og jordprøvesættene, som sandsynligvis kan tilskrives den iboende variabilitet i efterfølgende builds, der er almindelige med additive fremstillingsprocesser. Som med enhver proces, det er vigtigt med god proceskontrol. Ideen med teknologidemonstrationen var at vise, at du kan gøre dette i mikrogravitation, og den eneste måde at teste det på, fungerede over tid på stationen."

Made in Space udviklede derefter Additive Manufacturing Facility (AMF), som kan udskrive ved hjælp af en række forskellige materialer, inklusive konstrueret plast. En anden undersøgelse, AMF-ABS designværdier, skabt dele med denne printer på rumstationen, igen til sammenligning med dem, der er lavet på jorden. "Vi printede en række eksemplarer og er i gang med at skrive analysen, " sagde Prater. "Vi tog en anden testmetode, ser på effekten af ​​filamentlayup på egenskaber og konsistens af delen. En udfordring er, at der virkelig ikke er faste standarder for, hvordan man tester 3-D-printede materialer, men forskellige organisationer, inklusive NASA, arbejder på testprocedurer."

En af de første dele, der blev printet på rumstationen under 3-D Printing i Zero G, en skruenøgle, demonstreret, at det var muligt at fjernsende et design fra jorden til et produktionssystem mere end 200 miles over. Ud over sine testkørsler, AMF har trykt flere funktionelle genstande, inklusive en antennedel, en adapter til at holde en sonde i et luftudtag på stationens iltgenereringssystem, og en del til at forbinde to kugler, fritflyvende robotter brugt til forskning på rumstationen.

Brug af genbrugsmateriale til printerens råmateriale kan spare fremtidige langvarige udforskningsmissioner fra at skulle bære en stor forsyning af materiale til 3-D-print. Genbrug kunne også gøre brug af materiale, der ellers ville udgøre en gener eller et problem med affaldsbortskaffelse på disse missioner. Som et skridt hen imod den evne, ReFabricator-undersøgelsen viser teknologi udviklet af Tethers Unlimited til at genbruge affaldsplastmaterialer, inklusive tidligere trykte varer, til højkvalitets 3-D-printerfilament. Det begyndte at operere på rumstationen i februar 2019.

"Det er en vigtig del af programmet, genanvendelse af materiale, du har i stedet for at skulle sende mere råmateriale, " sagde Prater.

For nylig, Made in Space Recycler lanceret til rumstationen for en undersøgelse af, hvilke materialer der er mest effektive til genanvendelse til 3-D printfilament, og hvilke der kan holde til flere anvendelser uden at blive forringet. Denne undersøgelse er finansieret og fløjet gennem ISS National Lab.

ISM-projektet arbejder også på at udvikle højere styrke plastik og skaleringsprocesser, der bruger metal til rumstationens størrelse og magtbegrænsninger. "Hvis du ser på dele, du måske har brug for til on-demand fremstilling af reservedele på udforskningsmissioner, mange er metal, så det er det næste store skub, " sagde Prater.

En anden udfordring er inspektion i kredsløb af dele lavet i rummet, hun sagde. "Hvis du skal bruge en del, du skal vide, at den opfylder kravene til dens tilsigtede brug."

Ultimativt, ISM er afgørende for fremtidige efterforskningsmissioner, og test af disse produktionssystemer på rumstationen baner vejen for at tillade disse missioner at være mere uafhængige af Jorden. Med projektets mange kommercielle samarbejdspartnere, det repræsenterer også et vigtigt aspekt af NASAs kommercialiseringsinitiativer i lavt kredsløb om Jorden. For ikke at nævne, at det frigør al den plads, der tidligere blev brugt til at opbevare reservedele.