В космос со своим принтером

Технологии 3D-печати сейчас все шире применяются в промышленности, как для создания макетов и прототипов, так и для готовых изделий. Ракетно-космическая индустрия — довольно консервативная отрасль, и хотя принтер для печати пластиком уже добрался до Международной космической станции, сможет ли трехмерная печать потеснить традиционные способы обработки материалов? Разбираемся в этом вопросе совместно с НИТУ «МИСиС», партнером этого материала.

На Земле

Сопла ракетных двигателей внешне выглядят очень просто — чаще всего как металлический пустотелый конус с плавными обводами. Однако они должны выдерживать крайне высокую температуру и давление, поэтому во многих случаях в ракетных двигателях используют активное охлаждение — сквозь тонкие каналы в стенках сопла непрерывно прокачивается топливо (которое потом попадает в камеру сгорания). Создание ракетных сопел с множеством тонких каналов в стенках, сохраняющих при этом механическую прочность, — нетривиальная производственная задача, которая требует сложного оборудования и много стадий обработки.

Трехмерная печать, возможно, будет идеальной заменой трудоемким манипуляциям, поскольку она позволяет создавать устройства очень сложной формы всего за одну операцию. В 2015 году инженеры NASA решили сэкономить средства налогоплательщиков и напечатать полномасштабное сопло для ракетного двигателя с помощью метода селективного лазерного спекания.

«Аддитивные технологии дают космической отрасли те же преимущества, что и в других сферах: это простота, возможность печати изделий любой конфигурации. Особенно это актуально для печати сопла ракетных двигателей»

Александр Громов, профессор НИТУ «МИСиС»,
руководитель проекта по разработке технологий трехмерной печати

Специалистам из лаборатории обработки материалов Центра NASA имени Маршалла потребовалось 10 дней и 18 часов, чтобы напечатать сопло двигателя из специального медного сплава. В процессе работы им пришлось нанести 8255 слоев медного порошка. Зато получившееся сопло могло выдержать температуру почти 3 тысячи градусов Цельсия, поскольку в каналах в его стенках прокачивается охлаждающий газ температурой лишь на 100 кельвинов выше абсолютного нуля.

Печатью дело не ограничилось, совсем недавно, в марте 2018 года, в Центре Маршалла провели огневые испытания двигателя, напечатанного с помощью улучшенной технологии, которая позволила сократить время производства.

Пока государственные космические гиганты только приступают к экспериментам, «частники» уже внедряют аддитивные технологии в серийное производство. Новозеландская компания RocketLab использует трехмерную печать в изготовлении элементов ракетного двигателя Rutherford — для ракеты-носителя Electron.

Новозеландцы печатают камеру сгорания и сопло с рубашкой охлаждения, где должно циркулировать ракетное топливо во время работы двигателя. Двигатель Rutherford испытали сначала на стенде, затем в ходе космического запуска. Первый пуск ракеты сорвался из-за сбоя в системе связи, а второй, в январе 2018 года, прошел успешно.

Однако по меркам больших ракет двигатель RocketLab можно считать карликом, он имеет тягу около 2,5 тонны и массу около 25 килограмм. Чтобы вывести на орбиту полезную нагрузку массой лишь 200 килограммов, на первой ступени ракеты Electron требуется девять таких двигателей.

Несколько металлических 3D-печатных элементов используется в значительно более мощных двигателях Merlin на тяжелой ракете Falcon 9 компании SpaceX. Однако ключевые элементы этого двигателя изготавливают с помощью вполне традиционных методов — фрезеровки, литья под давлением, горячей формовки.

Метод трехмерной печати металлом

Заведующий кафедрой металловедения цветных металлов НИТУ «МИСиС» Алексей Солонин объясняет, что если печать пластиком технически достаточно проста — нужно лишь нагреть пластиковые «чернила» и можно печатать, то для печати изделия из металла требуется тщательно подготовленное сырье.

«Подготовка материалов для печати в этом случае может быть достаточно непростой. В первую очередь, частицы порошка для металлической печати должны быть примерно одного размера, без сильного разброса. Сами частицы должны быть по форме близки к сферическим, порошок должен обладать хорошей сыпучестью. От этих качеств порошка в очень большой степени зависит качество конечного изделия», — говорит он.

Наиболее распространенный метод трехмерной печати металлом — метод лазерного спекания — заключается в том, что из контейнера слой за слоем насыпается порошок из частиц размером 40–60 микрон. «Этот слой должен быть очень ровным, поэтому так важно, чтобы частицы были одинакового размера и формы», — отмечает Солонин. Затем лазерный луч «вычерчивает» контур изделия, и те частицы, которые попали под лазерный луч, сплавляются. Затем насыпается следующий слой, и так послойно формируется деталь. В некоторых случаях вместо лазерного луча может использоваться пучок электронов.

Американский стартап Relativity Space пошел дальше всех. Его основатели намерены разработать ракету, полностью напечатанную на 3D-принтере. Речь идет о массовом использовании деталей, созданных по технологии селективного лазерного спекания при помощи специально разработанного 3D-принтера на базе роботов-манипуляторов Kuka. По заверению авторов проекта, им удалось сократить общее число деталей ракеты со 100 тысяч до 1 тысячи, но это не самое захватывающее из их обещаний. Стартаперы намерены создать полностью автономную фабрику ракет и обещают в будущем первыми построить ракету на Марсе.

К настоящему моменту они уже разработали 3D-печатный двигатель Aeon и даже испытали его с помощью специалистов NASA.

В области строительства спутников пока идут отдельные эксперименты по производству деталей с помощью аддитивных технологий. В частности, по заказу Европейского космического агентства строились небольшие параболические антенны, механизмы развертывания солнечных батарей, элементы системы получения изображений, корпус малого спутника стандарта CubeSat.

Трехмерная печать в этом случае позволяет снижать массу аппарата, уменьшает общее количество деталей, открывает новые возможности в конструировании деталей на основе топологической оптимизации, позволяет заменять шлейфы проводов на токопроводящие нити, протянутые прямо через стенки конструкции.

В космос пока эти изделия не запустили, хотя, возможно, полученные результаты найдут применение в будущих спутниковых платформах.

И в космосе

Пока развитию 3D-печати мешает консервативность производителей космической техники. Ведь чтобы начать использовать новый элемент конструкции, требуется провести его многократные испытания на Земле, затем запустить в космос и по итогам убедиться в прямых выгодах, которые новинка даст по сравнению с аналогами прежних лет. Поэтому пока инженерам кажется проще использовать уже многократно проверенные технологии, устоявшиеся производственные цепочки.

Однако существуют ситуации, в которых невозможно собрать необходимое нам устройство из десятков разнообразных компонентов, произведенных с помощью десятков различных технологий в разных концах страны — например, на борту космической станции. Поэтому соответствующие эксперименты уже проводятся — на борту МКС есть свой 3D-принтер для печати ABS-пластиком. С его помощью астронавты с успехом напечатали храповой ключ, подтвердив принципиальную возможность создавать новые изделия прямо на орбите.

Но практически неизбежным использование 3D-печати станет для будущих межпланетных путешественников, которым не с руки будет просить Землю о доставке необходимого инструмента — просто потому, что на доставку посылки адресату уйдет несколько лет.

Частная компания Deep Space Industries, которая намерена заниматься добычей полезных ископаемых на астероидах, в 2013 году взялась за разработку 3D-принтера, который сможет печатать металлом в невесомости. В качестве сырья DSI предполагала использовать основной материал, из которого состоят металлические астероиды — железо-никелевый сплав. Однако на сегодня все упоминания об этой разработке с сайта DSI удалены.

Другая компания, которая нацелилась на астероиды, — Planetary Resources — также видит будущее в использовании космических ресурсов для орбитального производства. Компания провела эксперимент и напечатала в земной лаборатории небольшую конструкцию, применив в качестве материала измельченный в порошок металлический метеорит.

Российская компания «Анизопринт» разрабатывает технологию 3D-печати из композитов, а в качестве возможной области ее применения рассматривает печать композитных элементов космических аппаратов на орбите. Другой российский стартап, 3D Bioprinting Solutions, планирует провести эксперимент на российском сегменте МКС с биофабрикацией тканей организма. Предполагается, что условия микрогравитации позволят формировать устойчивые трехмерные структуры и полноценные ткани и даже органы, которые невозможно создать в условиях земной гравитации. Пока эксперимент проходит подготовку на Земле, причем сроки затягиваются из-за сложных стандартов согласования частного эксперимента на российском сегменте МКС.

На Земле 3D-принтеры уже справляются не только с небольшими изделиями, но и с целыми домами. Подобный опыт предлагается применить и при создании внеземных поселений или научных баз. В США, России и других странах ведутся разработки и проводятся эксперименты в этом направлении.

Европейская фирма Foster and Partners по заказу ESA провела дизайнерскую работу по проектированию лунной базы, напечатанной из реголита. В качестве подтверждения предлагаемой технологии компания заказала печать одного блока из вулканического базальта при помощи строительного принтера D-Shape.

Профессор Александр Громов отмечает, что 3D-печать будет очень востребована в пилотируемых межпланетных экспедициях, потому что с помощью этой технологии можно изготовить все что угодно. «Трудность лишь в том, что нет принтера, который бы печатал все из всего, или, иначе говоря, из гетероструктурных и гетерогенных материалов, то есть разнородных по структуре и составу», — говорит он.

По его словам, в НИТУ «МИСиС» сейчас реализуется проект разработки такого принтера. Возможно, через некоторое время мы увидим его в работе.

Виталий Егоров