Революция в летном оборудовании:3D-печатные аэрокосмические компоненты на орбите

Аддитивное производство в аэрокосмической отрасли на орбите:разработка спутника, напечатанного на 3D-принтере для полета

На протяжении десятилетий аэрокосмическое производство определялось алюминием, титаном и длительными сроками поставки. Структурные компоненты обрабатывались, крепились, проверялись и собирались с помощью процессов, в которых надежность ставилась выше скорости. 

Так что же происходит, когда аддитивное производство — это не просто создание прототипов оборудования, а полеты на орбите? 

Именно это произошло, когда бывший ученый НАСА Тони Боски и команда Sidus Space решили построить LizzieSat, спутник, частично напечатанный на 3D-принтере, предназначенный для запуска на борту миссии SpaceX Transporter-9. 

На этом пути они доказали то, на что должен обратить внимание каждый руководитель разработки: 

Аддитивное производство в аэрокосмической отрасли больше не является экспериментальным. Он работает.

Тони Боски из Sidus Space объясняет, как 3D-печать из непрерывного углеродного волокна и материалы Markforged позволили разработать LizzieSat, спутник, частично напечатанный на 3D-принтере, предназначенный для многопрофильных миссий.

Инженерное ограничение:100 килограммов, не больше

LizzieSat был спроектирован с учетом строгого ограничения по массе:весь спутник должен весить менее 100 килограммов. 

Для аэрокосмических инженеров это число сразу определяет проблему. 

Батареи потребляют массу. Бортовые компьютеры потребляют массу. Системы полезной нагрузки потребляют массу. Энергетические системы потребляют массу. 

Часто в структуре остаются возможности снижения веса, но структура также должна выжить: 

• Запуск 5G
• Воздействие солнечной радиации
• Термические колебания достигают 300°F (200°C)
• Многолетняя орбитальная жизнь 

Во время запуска гравитация увеличивается. Внутренний компонент весом пять фунтов фактически весит 25 фунтов при 5G. Конструкция массой 100 фунтов испытывает силу в 500 фунтов. Один только этот вариант нагрузки исключает из рассмотрения многие материалы. 

Команда Сидуса не собиралась строить одноцелевой космический корабль. Они представляли себе гибкую спутниковую автобусную платформу, способную поддерживать множество клиентов, отраслей и типов миссий. Вместо запуска десятков специализированных спутников LizzieSat может адаптироваться к различной полезной нагрузке. 

Такая гибкость требовала структурной системы, которая была бы легкой, прочной, быстро повторяемой и точно изготовленной. Традиционная механическая обработка не позволит добиться этого достаточно быстро.

Почему аддитивное производство в аэрокосмической отрасли изменило уравнение

При традиционном производстве алюминия изменения в конструкции приводят к трению. Технические изменения должны быть выпущены. Parts must be re-machined. Возможно, придется переработать сборку. Сроки выполнения растягиваются. 

У Boschi была другая цель:дизайн со скоростью инноваций. 

Используя Markforged X7, компания Sidus начала производить компоненты конструкции, армированные непрерывным углеродным волокном. Это было не косметическое прототипирование — это было структурное оборудование. 

Непрерывное армирование углеродным волокном обеспечивает прочность, сравнимую с алюминием, при значительном снижении веса. Что еще более важно, геометрия больше не ограничивается субтрактивным производством. 

Если дизайн менялся, его реализация не занимала недели. 

Это заняло день. 

Боски ясно описывает разницу:когда что-то меняется, команда может перепечатать новый структурный компонент и немедленно интегрировать его. Для спутниковой программы, работающей в сжатые коммерческие сроки, такая скорость является не удобством, а конкурентным преимуществом. 

Это разблокировка, которую дает авиационно-космическое аддитивное производство:итерация без штрафов.

Вопрос о космической квалификации

Инженеры, изучающие аддитивное производство, неизбежно задают один и тот же вопрос: 

Сможет ли он выжить в космосе? 

Сидус ответил на этот вопрос данными, а не предположениями. Команда получила грант на разработку летно-испытательной платформы — экспериментальной конструкции, которая будет отправлена ​​на Международную космическую станцию. Они быстро создали прототипы держателей образцов, используя Markforged Onyx, и интегрировали их в эксперимент. 

Первоначальный план предусматривал примерно 15 недель пребывания на орбите. Вместо этого детали оставались за пределами МКС целый год. 

В космосе материалы подвергаются постоянным нагрузкам. Прямое солнечное излучение разрушает полимеры. Температурные циклы заставляют материалы преодолевать крайние расширения и сжатия. Условия вакуума обнажают слабые места. 

Когда образцы вернулись на Землю, некоторые материалы показали видимую деградацию. 

Детали из оникса этого не сделали. 

По словам Боски, не было заметной разницы между деталями, которые провели год в космосе, и деталями, только что напечатанными на машине. Никаких структурных компромиссов. Отсутствие разрушения поверхности. Никакого неожиданного материального поведения. 

Для аэрокосмического аддитивного производства такая проверка в реальных условиях имеет большее значение, чем любые технические данные; он продемонстрировал, что правильно спроектированные композитные 3D-печатные детали могут выжить на орбите. 

Эта проверка теперь вышла за рамки тестирования платформ. После успешного запуска трех спутников LizzieSat с 2024 года и их эксплуатации на орбите аддитивные структурные компоненты перешли от экспериментальных испытаний к проверенной в полетах спутниковой архитектуре.

Точность, позволяющая создавать новые конструкции

Одним из наиболее игнорируемых факторов увеличения массы спутников является оборудование, особенно крепежные детали. 

Команда Боски начала задавать простой вопрос:что, если бы мы могли полностью удалить винты? 

Используя свободу аддитивного проектирования, они внедрили прецизионные элементы крепления непосредственно в конструктивные элементы. Детали вставляются в нужное положение и фиксируются с допуском в пределах десяти тысячных дюйма, что меньше толщины листа бумаги, разделенного на три. 

Обработать такую геометрию традиционным способом было бы чрезвычайно сложно, если не невозможно. Но благодаря 3D-печати с непрерывным волокном на промышленных 3D-принтерах они повторяемы и надежны. 

Устранив ненужное оборудование и интегрировав элементы крепления в саму конструкцию, команда снизила массу, сохранив при этом целостность конструкции при стартовых нагрузках. 

Это не постепенное улучшение, а структурное переосмысление, ставшее возможным благодаря аддитивному производству.

Соответствие требованиям к материалам аэрокосмической отрасли:огнестойкость и отслеживаемость

В аэрокосмической отрасли одной только силы недостаточно. Отслеживание материалов и соблюдение требований имеют важное значение, особенно для оборонных, правительственных и коммерческих космических программ.

Компания Sidus перешла на печать структурных компонентов с использованием огнестойкого материала Onyx FR и Onyx FR-A, который обеспечивает полную отслеживаемость материала. Обозначение «А» позволяет отслеживать происхождение продукции на уровне партии — требование для многих систем качества в аэрокосмической отрасли. 

Если происходит трещина или сдвиг, инженеры могут проследить происхождение материала, проанализировать первопричину и принять корректирующие меры. Такой уровень ответственности позволяет аддитивному производству соответствовать ожиданиям аэрокосмической отрасли. 

Для технических менеджеров, ответственных за соответствие требованиям и сертификацию, это часто является недостающим звеном при внедрении аддитивного производства в конструкционных целях. 

Markforged закрывает этот пробел.

Спутник, напечатанный на 3D-принтере, как платформа, а не прототип

LizzieSat рассчитан на пятилетний срок службы. Такое долговечность отражает уверенность не только в электронике спутника, но и в его структурной целостности. 

Более широкое значение заключается не только в том, что это спутник, напечатанный на 3D-принтере. 

Дело в том, что аддитивное производство в аэрокосмической отрасли позволило создать модульную платформу, способную обслуживать множество отраслей и клиентов. Вместо того, чтобы строить космические корабли на заказ для каждой миссии, Сидус создал гибкую архитектуру. 

Такая масштабируемость имеет решающее значение на быстро развивающемся рынке коммерческого космоса. 

И он был построен, протестирован, запущен и проверен с использованием композитной 3D-печати на промышленных 3D-принтерах.

Что это значит для руководителей инженерных специальностей

Многие инженерные команды по-прежнему рассматривают аддитивное производство как инструмент прототипирования. Что-то для приспособлений, приспособлений или концептуальных моделей. 

LizzieSat демонстрирует совершенно другое. 

Аэрокосмическая 3D-печать позволяет: 

• Уменьшить массу конструкции.
• Включить геометрию, которую невозможно обработать
• Устранение необходимости использования оборудования благодаря встроенному креплению.
• Ускорение циклов разработки дизайна
• Соответствие требованиям пожарной безопасности и отслеживаемости.
• Выжить год в космосе 

Для технических менеджеров, управляющих передовыми производственными командами, вопрос больше не в том, работают ли добавки в аэрокосмической отрасли. 

Вопрос в том, используют ли его уже ваши конкуренты, чтобы двигаться быстрее. 

Если вы оцениваете, насколько добавка вписывается в ваш план действий в аэрокосмической отрасли, узнайте, как Markforged поддерживает критически важные приложения в авиации, космосе и обороне.

Все блоги и информация, содержащаяся в этих блогах, защищены авторским правом Markforged, Inc. и не могут быть скопированы, изменены или использованы каким-либо образом без нашего письменного разрешения. Наши блоги могут содержать наши знаки обслуживания или товарные знаки, а также знаки обслуживания наших аффилированных лиц. Использование вами наших блогов не дает вам никаких прав или лицензий на использование наших знаков обслуживания или товарных знаков без нашего предварительного разрешения. Подделанная информация, представленная в наших блогах, не должна рассматриваться как профессиональный совет. Мы не обязаны обновлять или исправлять блоги на основе новой информации, последующих событий или иным образом.

Никогда не пропустите ни одной статьи

Подпишитесь, чтобы получать новый контент Markforged на свой почтовый ящик