ورود فناوری چاپگرهای سه بعدی به صنعت هوا فضا | هوافضای جوان

ورود فناوری چاپگرهای سه بعدی به صنعت هوا فضا

1

استفاده از پرینترهای سه بعدی و فناوری ساخت افزودنی (Additive manufacturing ) یکی از بحث های به روز در صنایع مختلف است. تولید قطعات با هندسه پیچیده و سفارشی سازی محصولات توسط روش های تولید معمول زمان بر و پرهزینه است و امکان تولید قطعات با تمام جزییات وجود ندارد. با ابداع روش فناوری ساخت افزودنی (یا به طور اختصار AM ) تولید محصولات توسط تکنولوژی پرینترهای سه بعدی و به صورت لایه های متوالی از مواد باعث شده به طور چشمگیری تولید نمونه های اولیه در حال رشد باشد. بزرگترین ویژگی فناوری جدیدی که به عنوان آغازی برای ساخت سریع نمونه های اولیه از محصولات پزشکی، دندان پزشکی، هوا فضا و صنایع خودرو نسبت به روش‌های سنتی می توان نام برد دقت بالا و سرعت بیشتر و هدر رفت ماده اولیه خیلی کمتر است، به همین دلیل این فناوری به سرعت جایگاه خود را در صنعت پیدا کرده است . با این حال شاید در زمان معرفی این تکنولوژی کسی فکر نمی کرد که کاربرد آن به قدری مورد توجه قرار گیرد که فراتر از مرزهای زمین و در فضا نیز به کار گرفته شود.

تاریخچه پرینترهای سه‌ بعدی

در اوایل دهه ۸۰ اولین فناوری‌های پرینت سه‌بعدی ظهور کردند. نمونه اولیه پرینتر سه‌بعدی برای اولین بار در سال ۱۹۸۶ و با روش SLA تولید شد. این فناوریتنها شیوه کارآمد تولید محصولات سه‌بعدی محسوب نمی‌شد و چند سال بعد کارل دکارد، اختراعی را در ایالات متحده ثبت کرد و با توجه نوع عملکردی که داشت نام آن را ذوب‌کننده گزینشی لیزری (SLS) گذاشت. این اختراع سرانجام در سال ۱۹۸۹ثبت شد. در همین سال اسکات کرامپ، شیوه دیگری به نام FDM را ثبت کرد که هنوز هم از آن در ساخت پرینترهای سه‌بعدی استفاده می‌شود. این آخرین شیوه ارایه شده برای تولید سریع نمونه های اولیه نبود و از اوایل دهه ۹۰ و بعد از آن، فناوری‌های متعددی به این صنعت معرفی شدند که عمدتا بر کاربردهای صنعتی و تولید نمونه اولیه محصولات تاکید داشتند. از آن نمونه می‌توان فناوری‌های Rapid Tooling و Rapid Casting را نام برد.
به لطف این فناوری، مدت زمان لازم برای ساخت نمونه های اولیه قطعات برای بررسی عملکرد و تست قطعات قبل از تولید انبوه به جای چند ماه به چند روز یا چند ساعت کاهش یافته است.امروزه برخی از شرکت ها از فناوری پرینت سه بعدی برای تولید محصولات نهایی خود استفاده می کنند.همچنین با سریعتر شدن فرآیند ها ، کاهش هزینه مواد و تجهیزات و افزایش گستره مواد قابل بکارگیری مانند فلزات، سرامیک و… کاربرد بسیار وسیعی در صنایع مختلف پیدا کرده اند.

 

روش‌ها و فناوری‌ها

پرینترهای سه‌بعدی از فناوری‌های مختلف استفاده می‌کنند. برخی از این روش‌ها از ذوب یا نرم کردن مواد اولیه برای ایجاد لایه‌ها استفاده می‌کنند. ذوب‌کننده گزینشی لیزری (SLS) و مدل‌سازی ذوبی ترموپلاستیک (FDM) فناوری‌های متداول برای این شیوه از پرینت هستند. رایج‌ترین فناوری که از آن در پرینترهای سه‌بعدی استفاده می‌کنند استریولیتوگرافی یا به اختصار SLA است. در پایین به شرح مختصری از آنها پرداخته می­شود:

  • ذوب‌کننده گزینشی لیزری (selective laser sintering)

در روش SLS پودر ماده مورد نظر توسط پرتو لیزر تا نزدیکی دمای ذوب حرارت می بیند. پرتو لیزر سطح مقطع مدل را دنبال می کند و منجر به سینتر شدن (و یا ذوب شدن) لایه نازکی از پودر می شود. با تشکیل هر لایه و سفت شدن آن، لایه جدیدی از پودر توسط رولر بر روی لایه قبلی گسترده می شود. این روشبرای اولین بار توسط کارل دکارد (Carl Deckard) از دانشگاه تگزاس و در دهه ۸۰ پیشنهاد شد.

  • مدل‌سازی ذوبی ترموپلاستیک (Fused deposition modeling)

در فناوری FDM رشته های نازک ترموپلاستیک حرارت می­بیند و پس از ذوب شدن، از نازل خارج می­شود و با کنترل کامپیوتری لایه مورد نظر ساخته و سریعا جامد می­شود .این روش در دهه ۸۰ توسط اسکات کرامپ (Scott Crump) پیشنهاد شد، امروزه از این شیوه برای تولید پرینترهای سه‌بعدی خانگی و صنعتی استفاده می‌شود.

  • استریولیتوگرافی (SLA)

به فناوری‌هایی که در آن‌ها از یک مایع برای تولید مواد جامد استفاده می‌شود، استریولیتوگراف می‌گویند. در این فناوری از یک رزین مایع فوتوپلیمر و لیزر فرابنفش برای ساختن لایه‌های شی سه‌بعدی استفاده می‌شود. این روش به عنوان یکی از متداول ‌ترین شیوه‌های چاپ سه‌بعدی شناخته شده و برای اولین بار توسط چارلز هال (Charle Hull) موسس شرکت سیستم‌های سه‌بعدی پیشنهاد شد.

فناوری های جدید ساخت تراستر فضا پیماها

2

اساس کار موشکها قانون سوم نیوتن است. برای اینکه موشکها به سمت جلو خیز بردارند، باید چیزی به سمت عقب خیز بردارد. آن چیز پیشران است. پیشران ماده‌ای است که از عقب راکت فضاپیما با فشار خارج می‌شود و باعث رانش به سمت جلو یا نیروی پرتاب می‌شود. غالبا پیشران نوعی سوخت است که با یک اکسید کننده در محفظه احتراق می‌سوزد تا حجم زیادی از گازهای بسیار داغ تولید کند. دمای گازهای خروجی بیش از ۱۰۰۰ درجه سلسیوس است بنابراین این گازها منبسط می‌شوند، تا جایی که با شدت از عقب موشک خارج شوند و نیروی پرتاب یا پیشرانش تولید کنند. برای ساخت محفظه احتراق برای موتورهای موشک و فضاپیماها با توجه به دمای کارکرد و فشار بالا توجه به پارامترهای اساسی زیادی لازم است. پس از گذشت تقریبا نیم سده از پرتاب نخستین موشک به فضا فناوری­ های بکار رفته در ساخت موتورهای موشک، دست خوش تغییراتی شده است. استفاده از تکنولوژی های به روز در ساخت اجزای تراسترها باعث شده کارآمدی آنها افزایش یابد که در این بین استفاده از چاپگرهای سه بعدی در ساخت تجهیزات و قطعات فضایی بیشتر مورد توجه شرکت های مرتبط با این حوزه بوده است.

 

کاربرد چاپگرهای سه بعدی در صنعت هوا فضا

پس از سال ۱۹۸۶ که اولین پرینتر سه بعدی طراحی شد پیشرفت­های چشم گیری در تکنولوژی ساخت افزودنی به وجود آمده و این فناوری وارد صنعت هوافضا نیز شده است. عدم وابستگی به ساخت در قالب ها و در نتیجه افزایش توانایی برای تولید قطعات پیچیده بدون محدودیت در هندسه باعث شده که این روش نسبت به روش های قدیمی تر همچون ریخته گری و ماشین کاری پیشرفت چشمگیری داشته باشد.از مزایای استفاده از این فناوری، ساخت قطعات یکپارچه و مستحکم است به گونه ای که دیگر نیاز به مونتاژ چندین قطعه روی هم نیست. در سال های اخیر شاهد تولید نهایی قطعات موتور فضاپیماها و موشک ها توسط پرینترهای سه بعدی هستیم. با توجه به محدودیت های موجود در به کارگیری روش های دیگر ساخت قطعات در فضا شیوه استفاده از چاپ سه بعدی روش منحصر به فرد در ساخت قطعات مورد نیاز در فضا است.

با توجه به اینکه افراد مستقر در پایگاه های فضایی برای انجام فعالیت های خود در فضا به قطعات جدید نیاز دارند لذا تنها استفاده از پرینتر سه بعدی برای ساخت آنها امکان پذیر است. در این میان خبر نیاز مهندسان ایستگاه فضایی به آچار بکس باعث شد شرکت Made in space که پرینترسه‌بعدی را در ایستگاه بین المللی فضایی طراحی کرده بود تصمیم بگیرد نوآوری جدیدی در ساخت نشان دهد و آن طراحی و ایمیل کردن طرح آچار به ایستگاه فضایی بود که به وسیله فایل طرح، آچار در ایستگاه فضایی چاپ شد.

3

نصب چاپگر سه بعدی در ایستگاه بین المللی فضایی

4

چاپ سه بعدی اولین قطعه در فضا

ابزار و قطعات ساخته شده توسط چاپگر سه بعدی در ایستگاه فضایی

ابزار و قطعات ساخته شده توسط چاپگر سه بعدی در ایستگاه فضایی

در میان شرکت های فعال و پیشرو در در حوزه هوافضا شرکت ایرباس برای ساخت تراستر با فناوری چاپ سه بعدی توانسته برای اولین بار در جهان محفظه احتراق و نازل تراستر ساخته شده از پلاتین با این فناوری را تحت آزمایش گرم قرار دهد و با موفقیت درون آن شلیک داغ انجام دهد به نحوی که دمای دهانه آن در حین آزمایش تا ۱۲۵۳ ° C رسیده است.

آزمایش موفقیت آمیز صورت گرفته برای بررسی عملکرد محفظه احتراق ساخته شده با چاپگر سه بعدی نشان از کارایی قابل مقایسه با نوع معمولی آن دارد. یکی از دلایلی که ایرباس به دنبال استفاده از این فناوری بوده تلاش برای جایگزین کردن آلیاژ جدید، پلاتین- ایریدیوم،( که دارای مزایای عملکردی است) برای تولیدات خودش است. این آلیاژ به راحتی نمی تواند توسط روش های سنتی مانند ریخته گری و فورج تولید شود بنابراین چاپ سه بعدی تنها راه برای ساخت قطعات با این آلیاژ است.

 

مزایای استفاده از این روش کاهش هزینه های ناشی از ماده اولیه به دلیل صرفه جویی در ماده ساخت قطعه است . به طور کلی چاپ سه بعدی اجازه می دهد چرخه تولید کوتاه تر و جریان تولید انعطاف پذیر تر شود و استفاده از آن در تولیدات پیشرفته جدید یک عنصر مهم به شمار آید که در طیف وسیعی از فن آوری ها برای کم کردن هزینه ها و زمان تولید مورد توجه است. با هویدا شدن قابلیت های مختلف این فناوری استفاده از آن تنها به تولید قطعات فضایی محدود نمی شود و شرکت های بزرگ فضایی دنیا قصد دارند مقر خود در ماه را با استفاده از پرینتر سه بعدی بسازند که این طرح عظیم توسط تیم تحقیقاتی ناسا در حال انجام است.


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.