Tangu karne ya 20, jamii ya binadamu imekuwa ikivutiwa na kuchunguza anga na kuelewa kile kilichopo zaidi ya Dunia. Mashirika makubwa kama vile NASA na ESA yamekuwa mstari wa mbele katika uchunguzi wa anga, na mchezaji mwingine muhimu katika ushindi huu ni uchapishaji wa 3D. Kwa uwezo wa kutengeneza sehemu ngumu kwa haraka kwa gharama ya chini, teknolojia hii ya usanifu inazidi kuwa maarufu katika makampuni. Inafanya uundaji wa programu nyingi uwezekane, kama vile satelaiti, suti za anga, na vipengele vya roketi. Kwa kweli, kulingana na SmarTech, thamani ya soko ya utengenezaji wa nyongeza za sekta ya anga za juu ya kibinafsi inatarajiwa kufikia €2.1 bilioni ifikapo mwaka wa 2026. Hii inazua swali: Je, uchapishaji wa 3D unawezaje kuwasaidia wanadamu kustawi angani?
Hapo awali, uchapishaji wa 3D ulitumika zaidi kwa ajili ya uundaji wa prototypes wa haraka katika tasnia ya matibabu, magari, na anga za juu. Hata hivyo, kadri teknolojia inavyoenea zaidi, inazidi kutumika kwa vipengele vya matumizi ya mwisho. Teknolojia ya utengenezaji wa viongeza vya chuma, haswa L-PBF, imeruhusu uzalishaji wa aina mbalimbali za metali zenye sifa na uimara unaofaa kwa hali mbaya ya anga za juu. Teknolojia zingine za uchapishaji wa 3D, kama vile DED, binder jetting, na mchakato wa extrusion, pia hutumika katika utengenezaji wa vipengele vya anga za juu. Katika miaka ya hivi karibuni, mifumo mipya ya biashara imeibuka, huku kampuni kama vile Made in Space na Relativity Space zikitumia teknolojia ya uchapishaji wa 3D kubuni vipengele vya anga za juu.
Nafasi ya Uhusiano inayounda printa ya 3D kwa ajili ya tasnia ya anga za juu
Teknolojia ya uchapishaji wa 3D katika anga za juu
Sasa kwa kuwa tumezianzisha, hebu tuangalie kwa undani teknolojia mbalimbali za uchapishaji wa 3D zinazotumika katika tasnia ya anga. Kwanza, ikumbukwe kwamba utengenezaji wa viongeza vya chuma, haswa L-PBF, ndio unaotumika sana katika uwanja huu. Mchakato huu unahusisha kutumia nishati ya leza kuunganisha safu ya unga wa chuma kwa safu. Inafaa hasa kwa kutengeneza sehemu ndogo, ngumu, sahihi, na zilizobinafsishwa. Watengenezaji wa anga wanaweza pia kufaidika na DED, ambayo inahusisha kuweka waya au unga wa chuma na hutumika sana kwa ajili ya kutengeneza, kupaka rangi, au kutengeneza sehemu za chuma au kauri zilizobinafsishwa.
Kwa upande mwingine, upigaji wa binder, ingawa una faida katika suala la kasi ya uzalishaji na gharama ya chini, haufai kwa ajili ya kutengeneza sehemu za mitambo zenye utendaji wa hali ya juu kwa sababu unahitaji hatua za kuimarisha baada ya usindikaji ambazo huongeza muda wa utengenezaji wa bidhaa ya mwisho. Teknolojia ya uondoaji pia inafaa katika mazingira ya anga. Ikumbukwe kwamba sio polima zote zinazofaa kutumika angani, lakini plastiki zenye utendaji wa hali ya juu kama vile PEEK zinaweza kuchukua nafasi ya baadhi ya sehemu za chuma kutokana na nguvu zake. Hata hivyo, mchakato huu wa uchapishaji wa 3D bado haujaenea sana, lakini unaweza kuwa rasilimali muhimu kwa ajili ya uchunguzi wa anga kwa kutumia vifaa vipya.
Mchanganyiko wa Kitanda cha Poda cha Laser (L-PBF) ni teknolojia inayotumika sana katika uchapishaji wa 3D kwa ajili ya anga za juu.
Uwezo wa Vifaa vya Anga
Sekta ya anga imekuwa ikichunguza vifaa vipya kupitia uchapishaji wa 3D, ikipendekeza njia mbadala bunifu ambazo zinaweza kuvuruga soko. Ingawa metali kama vile titani, alumini, na aloi za nikeli-kromiamu zimekuwa lengo kuu, nyenzo mpya inaweza kuiba mwangaza hivi karibuni: regolithi ya mwezi. Regolithi ya mwezi ni safu ya vumbi inayofunika mwezi, na ESA imeonyesha faida za kuichanganya na uchapishaji wa 3D. Advenit Makaya, mhandisi mkuu wa utengenezaji wa ESA, anaelezea regolithi ya mwezi kama sawa na zege, hasa iliyotengenezwa kwa silikoni na vipengele vingine vya kemikali kama vile chuma, magnesiamu, alumini, na oksijeni. ESA imeshirikiana na Lithoz kutengeneza sehemu ndogo zinazofanya kazi kama vile skrubu na gia kwa kutumia regolithi ya mwezi iliyoigwa yenye sifa zinazofanana na vumbi halisi la mwezi.
Michakato mingi inayohusika katika utengenezaji wa regolith ya mwezi hutumia joto, na kuifanya iendane na teknolojia kama vile SLS na suluhisho za uchapishaji wa poda. ESA pia inatumia teknolojia ya D-Shape kwa lengo la kutengeneza sehemu ngumu kwa kuchanganya kloridi ya magnesiamu na vifaa na kuichanganya na oksidi ya magnesiamu inayopatikana kwenye sampuli iliyoigwa. Mojawapo ya faida muhimu za nyenzo hii ya mwezi ni ubora wake bora wa uchapishaji, na kuiwezesha kutoa sehemu kwa usahihi wa hali ya juu. Kipengele hiki kinaweza kuwa rasilimali kuu katika kupanua wigo wa matumizi na vipengele vya utengenezaji kwa besi za mwezi zijazo.
Regolith ya Mwezi iko Kila Mahali
Pia kuna regolith ya Mirihi, ikimaanisha nyenzo za chini ya ardhi zinazopatikana kwenye Mirihi. Hivi sasa, mashirika ya anga za juu ya kimataifa hayawezi kurejesha nyenzo hii, lakini hii haijawazuia wanasayansi kutafiti uwezo wake katika miradi fulani ya anga za juu. Watafiti wanatumia sampuli zilizoigwa za nyenzo hii na wanaichanganya na aloi ya titani ili kutengeneza zana au vipengele vya roketi. Matokeo ya awali yanaonyesha kuwa nyenzo hii itatoa nguvu zaidi na kulinda vifaa kutokana na kutu na uharibifu wa mionzi. Ingawa nyenzo hizi mbili zina sifa zinazofanana, regolith ya mwezi bado ndiyo nyenzo iliyojaribiwa zaidi. Faida nyingine ni kwamba nyenzo hizi zinaweza kutengenezwa mahali hapo bila hitaji la kusafirisha malighafi kutoka Duniani. Kwa kuongezea, regolith ni chanzo kisichoisha cha nyenzo, na kusaidia kuzuia uhaba.
Matumizi ya teknolojia ya uchapishaji wa 3D katika tasnia ya anga
Matumizi ya teknolojia ya uchapishaji wa 3D katika tasnia ya anga yanaweza kutofautiana kulingana na mchakato maalum unaotumika. Kwa mfano, mchanganyiko wa kitanda cha unga wa leza (L-PBF) unaweza kutumika kutengeneza sehemu tata za muda mfupi, kama vile mifumo ya zana au vipuri vya nafasi. Kizindua, kampuni mpya yenye makao yake makuu California, ilitumia teknolojia ya uchapishaji wa 3D ya Velo3D ya sapphire-metal ili kuboresha injini yake ya roketi ya kioevu ya E-2. Mchakato wa mtengenezaji ulitumika kuunda turbine ya induction, ambayo ina jukumu muhimu katika kuharakisha na kuendesha LOX (oksijeni ya kioevu) kwenye chumba cha mwako. Turbine na sensa zilichapishwa kila moja kwa kutumia teknolojia ya uchapishaji wa 3D na kisha kuunganishwa. Sehemu hii bunifu hutoa roketi mtiririko mkubwa wa maji na msukumo mkubwa, na kuifanya kuwa sehemu muhimu ya injini.
Velo3D ilichangia matumizi ya teknolojia ya PBF katika kutengeneza injini ya roketi ya kioevu ya E-2.
Utengenezaji wa viongeza una matumizi mapana, ikiwa ni pamoja na utengenezaji wa miundo midogo na mikubwa. Kwa mfano, teknolojia za uchapishaji wa 3D kama vile suluhisho la Stargate la Relativity Space zinaweza kutumika kutengeneza sehemu kubwa kama vile matangi ya mafuta ya roketi na vile vya propela. Relativity Space imethibitisha hili kupitia uzalishaji uliofanikiwa wa Terran 1, roketi iliyochapishwa karibu kabisa ya 3D, ikiwa ni pamoja na tanki la mafuta lenye urefu wa mita kadhaa. Uzinduzi wake wa kwanza mnamo Machi 23, 2023, ulionyesha ufanisi na uaminifu wa michakato ya utengenezaji wa viongeza.
Teknolojia ya uchapishaji wa 3D inayotegemea extrusion pia inaruhusu uzalishaji wa vipuri kwa kutumia vifaa vya utendaji wa hali ya juu kama vile PEEK. Vipengele vilivyotengenezwa kwa thermoplastic hii tayari vimejaribiwa angani na vimewekwa kwenye Rashid rover kama sehemu ya misheni ya mwezi ya UAE. Madhumuni ya jaribio hili yalikuwa kutathmini upinzani wa PEEK dhidi ya hali mbaya ya mwezi. Ikiwa itafanikiwa, PEEK inaweza kuchukua nafasi ya vipuri vya chuma katika hali ambapo vipuri vya chuma huvunjika au vifaa ni vichache. Zaidi ya hayo, sifa nyepesi za PEEK zinaweza kuwa na thamani katika uchunguzi wa anga za juu.
Teknolojia ya uchapishaji wa 3D inaweza kutumika kutengeneza sehemu mbalimbali kwa ajili ya sekta ya anga za juu.
Faida za uchapishaji wa 3D katika tasnia ya anga
Faida za uchapishaji wa 3D katika tasnia ya anga za juu ni pamoja na mwonekano bora wa mwisho wa sehemu ikilinganishwa na mbinu za jadi za ujenzi. Johannes Homa, Mkurugenzi Mtendaji wa mtengenezaji wa printa wa 3D wa Austria Lithoz, alisema kwamba "teknolojia hii hufanya sehemu ziwe nyepesi." Kutokana na uhuru wa usanifu, bidhaa zilizochapishwa za 3D zina ufanisi zaidi na zinahitaji rasilimali chache. Hii ina athari chanya kwenye athari ya mazingira ya uzalishaji wa sehemu. Relativity Space imeonyesha kuwa utengenezaji wa nyongeza unaweza kupunguza kwa kiasi kikubwa idadi ya vipengele vinavyohitajika kutengeneza vyombo vya anga za juu. Kwa roketi ya Terran 1, sehemu 100 ziliokolewa. Kwa kuongezea, teknolojia hii ina faida kubwa katika kasi ya uzalishaji, huku roketi ikikamilika kwa chini ya siku 60. Kwa upande mwingine, utengenezaji wa roketi kwa kutumia mbinu za kitamaduni unaweza kuchukua miaka kadhaa.
Kuhusu usimamizi wa rasilimali, uchapishaji wa 3D unaweza kuokoa vifaa na, katika baadhi ya matukio, hata kuruhusu kuchakata taka. Hatimaye, utengenezaji wa nyongeza unaweza kuwa rasilimali muhimu kwa kupunguza uzito wa roketi za kupaa. Lengo ni kuongeza matumizi ya vifaa vya ndani, kama vile regolith, na kupunguza usafirishaji wa vifaa ndani ya vyombo vya anga. Hii inafanya iwezekane kubeba printa ya 3D pekee, ambayo inaweza kuunda kila kitu mahali pake baada ya safari.
Made in Space tayari imetuma moja ya printa zao za 3D kwenye nafasi kwa ajili ya majaribio.
Mapungufu ya uchapishaji wa 3D katika nafasi
Ingawa uchapishaji wa 3D una faida nyingi, teknolojia bado ni mpya na ina mapungufu. Advenit Makaya alisema, "Mojawapo ya matatizo makuu ya utengenezaji wa nyongeza katika tasnia ya anga ni udhibiti wa michakato na uthibitishaji." Watengenezaji wanaweza kuingia maabara na kujaribu nguvu, uaminifu, na muundo mdogo wa kila sehemu kabla ya uthibitishaji, mchakato unaojulikana kama upimaji usioharibu (NDT). Hata hivyo, hii inaweza kuchukua muda na gharama kubwa, kwa hivyo lengo kuu ni kupunguza hitaji la majaribio haya. NASA hivi karibuni ilianzisha kituo cha kushughulikia suala hili, kinachozingatia uthibitishaji wa haraka wa vipengele vya chuma vilivyotengenezwa na utengenezaji wa nyongeza. Kituo hicho kinalenga kutumia mapacha ya kidijitali kuboresha mifumo ya kompyuta ya bidhaa, ambayo itasaidia wahandisi kuelewa vyema utendaji na mapungufu ya sehemu, ikiwa ni pamoja na shinikizo kiasi gani wanaweza kuhimili kabla ya kuvunjika. Kwa kufanya hivyo, kituo hicho kinatumai kusaidia kukuza matumizi ya uchapishaji wa 3D katika tasnia ya anga, na kuifanya iwe na ufanisi zaidi katika kushindana na mbinu za kitamaduni za utengenezaji.
Vipengele hivi vimepitia majaribio ya kina ya uaminifu na nguvu.
Kwa upande mwingine, mchakato wa uthibitishaji ni tofauti ikiwa utengenezaji unafanywa angani. Advenit Makaya wa ESA anaelezea, "Kuna mbinu inayohusisha kuchanganua sehemu wakati wa uchapishaji." Njia hii husaidia kubaini ni bidhaa zipi zilizochapishwa zinazofaa na zipi zisizofaa. Zaidi ya hayo, kuna mfumo wa kujirekebisha kwa printa za 3D zilizokusudiwa nafasi na unajaribiwa kwenye mashine za chuma. Mfumo huu unaweza kutambua makosa yanayowezekana katika mchakato wa utengenezaji na kurekebisha kiotomatiki vigezo vyake ili kurekebisha kasoro zozote katika sehemu hiyo. Mifumo hii miwili inatarajiwa kuboresha uaminifu wa bidhaa zilizochapishwa angani.
Ili kuthibitisha suluhisho za uchapishaji wa 3D, NASA na ESA wameweka viwango. Viwango hivi vinajumuisha mfululizo wa majaribio ili kubaini uaminifu wa sehemu. Wanazingatia teknolojia ya mchanganyiko wa vitanda vya unga na wanavisasisha kwa michakato mingine. Hata hivyo, wachezaji wengi wakuu katika tasnia ya vifaa, kama vile Arkema, BASF, Dupont, na Sabic, pia hutoa ufuatiliaji huu.
Kuishi angani?
Kwa maendeleo ya teknolojia ya uchapishaji wa 3D, tumeona miradi mingi iliyofanikiwa Duniani inayotumia teknolojia hii kujenga nyumba. Hii inatufanya tujiulize kama mchakato huu unaweza kutumika katika siku za usoni au za mbali kujenga miundo inayoweza kukaliwa angani. Ingawa kuishi angani kwa sasa si jambo la kweli, kujenga nyumba, hasa mwezini, kunaweza kuwa na manufaa kwa wanaanga katika kutekeleza misheni za angani. Lengo la Shirika la Anga za Juu la Ulaya (ESA) ni kujenga kuba kwenye mwezi kwa kutumia regolith ya mwezi, ambayo inaweza kutumika kujenga kuta au matofali ili kuwalinda wanaanga kutokana na mionzi. Kulingana na Advenit Makaya kutoka ESA, regolith ya mwezi inaundwa na takriban 60% ya chuma na 40% ya oksijeni na ni nyenzo muhimu kwa ajili ya kuishi kwa wanaanga kwa sababu inaweza kutoa chanzo kisicho na mwisho cha oksijeni ikitolewa kutoka kwa nyenzo hii.
NASA imetoa ruzuku ya dola milioni 57.2 kwa ICON kwa ajili ya kutengeneza mfumo wa uchapishaji wa 3D kwa ajili ya kujenga miundo kwenye uso wa mwezi na pia inashirikiana na kampuni hiyo kuunda makazi ya Mars Dune Alpha. Lengo ni kujaribu hali ya maisha kwenye Mars kwa kuwa na watu wa kujitolea wanaoishi katika makazi kwa mwaka mmoja, wakiiga hali kwenye Sayari Nyekundu. Jitihada hizi zinawakilisha hatua muhimu kuelekea kujenga moja kwa moja miundo iliyochapishwa ya 3D kwenye mwezi na Mars, ambayo hatimaye inaweza kufungua njia ya ukoloni wa wanadamu angani.
Katika siku zijazo za mbali, nyumba hizi zinaweza kuwezesha uhai kuishi angani.
Muda wa chapisho: Juni-14-2023
