مقدمه
با افزایش جاه طلبی های اکتشاف اعماق فضا، گسترش به اجرام آسمانی مانند ماه و مریخ، تقاضای بی سابقه ای برای راه حل های تولیدی نوآورانه وجود دارد. در این زمینه، فناوری چاپ سه بعدی به عنوان یک نوآوری پیشرو در تولید فضای درجا ظاهر شده است. این فناوری دگرگون‌کننده، تولید بر اساس تقاضای اجزا و ساختارهای پیچیده و سفارشی‌شده را در محیط فضا، با استفاده از فرآیندهای تولید افزودنی لایه به لایه، تسهیل می‌کند. قابلیت انقلابی آن توجه جهانی را به خود جلب کرده است، که به دلیل ضرورت راه حل های نوآورانه برای مقابله با چالش های ناشی از مأموریت های فضایی گسترده و نیاز به تولید با منابع کارآمد فراتر از زمین است.
تا به امروز، پرینت سه بعدی فرصت‌های امیدوارکننده‌ای را در کاربردهای فضایی مختلف، از جمله تولید دستگاه‌های فضایی و غذا، پیشرفت‌های زیست پزشکی فضایی، تعمیرات الکترونیک و حسگرها، و بازیابی و استفاده از منابع فضایی نشان داده است. در حالی که رهبران جهانی فضایی اخیراً فناوری های چاپ سه بعدی را در فضا کاوش کرده اند، این زمینه در حال حاضر در مراحل اولیه اعتبار سنجی فناوری است که به تحقیقات بنیادی گسترده و پیشرفت های کلیدی فناوری نیاز دارد. هدف این دیدگاه بررسی ویژگی‌های اساسی پرینت سه‌بعدی در ساخت فضا است و بر پتانسیل آن برای متحول کردن رویکرد ما به فرآیندهای تولید در اکتشاف فضا تأکید می‌کند.
1. چرا پرینت سه بعدی در اکتشاف فضا ضروری است؟
چاپ سه بعدی در فضا ضروری است زیرا می تواند ساختارهای پیچیده و سفارشی را به صورت محلی تولید کند و انعطاف پذیری طراحی بی نظیری را ارائه دهد و در عین حال زمان و هزینه های توسعه را کاهش دهد. هدف اصلی ساخت و مونتاژ سازه‌های بزرگ در مدار است که با پرتاب تنها مواد خام و اجزای ضروری، هزینه‌های ماموریت را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. تلاش‌های کنونی عمدتاً بر استفاده از چاپ سه بعدی برای به حداقل رساندن جرم، پیچیدگی، تعداد قطعات و جوش‌های اجزای فضایی متمرکز است. این فناوری به دلیل صرفه جویی انبوه قابل توجه خود، از 40٪ تا 90٪، به طور مستقیم به کاهش هزینه تبدیل می شود. علاوه بر این، تولید قطعات پیچیده را تسریع می کند و زمان ساخت را از یک سال به تنها 4 ماه کاهش می دهد.
علاوه بر ساخت سازه‌های مکانیکی، پرینت سه بعدی در تولید قطعات برای تعمیرات اضطراری در فضا برتری دارد و راه‌حلی همه کاره و تطبیقی برای رویدادهای پیش‌بینی‌نشده مانند عدم وجود ابزار یا نقص الکترونیکی ارائه می‌دهد. محیط فضایی ذاتاً چالش‌برانگیز که با محدودیت‌های منابع و غیرعملی بودن مکانیسم‌های تامین متعارف مشخص شده است، بر اهمیت استراتژیک قابلیت‌های تولید بر اساس تقاضا تاکید می‌کند. نمونه‌های تاریخی اثربخشی ساخت سریع را در پرداختن به چالش‌های فنی مهم نشان می‌دهند. به سرعت به سال 2013، Made In Space، Inc. به سرعت یک آداپتور پرینت سه بعدی را برای مشکل مشابه مهندسی کرد و موفقیت عملیاتی خود را در عرض یک روز نشان داد. این قابلیت استقلال ماموریت را افزایش می دهد و اتکا به لجستیک زمین را برای مشکلات فنی پیش بینی نشده کاهش می دهد.
علاوه بر این، پرینت زیستی سه بعدی قابلیت تولید بافت و اندام های سه بعدی در فضا را گسترش می دهد و یک پلت فرم تکنولوژیکی برای مطالعه تاثیر محیط فضا بر انسان ایجاد می کند. این نوآوری مراقبت‌های بالینی بازسازی‌کننده و پایدار را در فضا تسهیل می‌کند و به اثرات نامطلوب قرار گرفتن طولانی‌مدت در محیط فضا، مانند گرانش میکرو و افزایش تشعشعات می‌پردازد. در حالی که مکانیسم‌های بیولوژیکی نیاز به کاوش بیشتر دارند، مدل‌های بافتی چاپ‌شده سه‌بعدی می‌توانند ویژگی‌های بدن انسان را به‌عنوان ابزاری برای مطالعه اثرات طولانی‌مدت شرایط فضا تکرار کنند. علاوه بر این، در موارد ضربه شدید یا بیماری در فضا، جایی که بازگشت فوری به زمین برای درمان ممکن است غیرعملی باشد، چاپ زیستی سه بعدی این پتانسیل را دارد که منابع به موقع بافت های کاربردی برای فضانوردان فراهم کند.
بسیاری از عناصر حیاتی برای رفاه فضانوردان، مانند غذا، مایحتاج روزانه و محل اقامت در ماه، پتانسیل ساخت از طریق چاپ سه بعدی را دارند. به عنوان مثال، پرینت سه بعدی غذا، این پتانسیل را دارد که با پرداختن به چالش های مربوط به تغذیه، تنوع و شخصی سازی برای ماموریت های فضایی طولانی مدت با خدمه انسان، انقلابی در تولید مواد غذایی فضایی ایجاد کند. پیشرفت‌ها در فناوری چاپ سه‌بعدی راه‌حل‌هایی را برای بهبود گزینه‌های غذایی، کاهش ضایعات و امکان آماده‌سازی بر اساس تقاضا در فضا ارائه می‌دهد. برای گسترش مأموریت های سرنشین دار به ماه و مریخ، چاپ سه بعدی برای استفاده از منابع درجا بسیار ارزشمند است. با توجه به محیط های چالش برانگیز ماه و مریخ، ساخت زیستگاه های مصنوعی از مواد محلی، مانند سنگ سنگ ها، از طریق پرینت سه بعدی برای کاوش پایدار در اعماق فضا، تضمین بقای انسان و به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی بر روی زمین بسیار مهم است.
2. چالش های پرینت سه بعدی در محیط های فضایی شدید
پیشرفت فناوری پرینت سه بعدی در فضا به دلیل شرایط سخت محیطی فراتر از جو زمین با چالش های متعددی مواجه است. این چالش ها شامل خلاء فضا، تفاوت های قابل توجه دما، و تاثیر تشعشعات کیهانی و خورشیدی است.
میکروگرانش چالش‌های بزرگی را برای پرینت سه بعدی فضایی ایجاد می‌کند که بر مراحل چاپ و پس از تولید تأثیر می‌گذارد. عدم وجود جاذبه منجر به تشکیل قطرات کروی در مواد مذاب در حین چاپ می شود که باعث اختلال و به خطر افتادن کیفیت چاپ می شود. پرینت سه بعدی اکستروژن با مشکلاتی در رسوب لایه مواجه می شود که به طور بالقوه منجر به شکست چاپ می شود. چاپگرهای تخصصی طراحی شده برای ریزگرانش و تنظیمات فرآیند برای رفع این مسائل ضروری هستند. چسبندگی مناسب لایه در یک محیط ریزگرانشی چالش برانگیز می شود و در نتیجه ضخامت ناهمواری ایجاد می شود. تغییر جریان گرما به دلیل گرانش میکرو باعث ایجاد مسائل حرارتی می شود که بر کیفیت قطعه در دمای نوسانات فضا تأثیر می گذارد. تأثیر گرانش صفر فراتر از پارامترهای فرآیند و تکنیک های چاپ سه بعدی است و خواص مکانیکی و توپوگرافی محصول نهایی را شکل می دهد. برای غلبه بر این چالش ها، تحقیق جامع در مورد دینامیک سیالات و کنترل جریان در محیط های با گرانش صفر ضروری است.
خلاء فضا که با عدم وجود جو مشخص می شود، اساساً دینامیک انتقال حرارت ضروری برای فرآیند چاپ سه بعدی را تغییر می دهد. فقدان همرفت به عنوان مکانیزم اتلاف گرما در خلاء نیازمند استراتژی‌های مدیریت حرارتی نوآورانه است. بدون توانایی دفع گرما از طریق فرآیندهای همرفتی، حفظ دمای چاپ بهینه پیچیده می شود و توسعه سیستم های کنترل حرارتی پیشرفته را ضروری می کند. محیط خلاء چالش هایی را در رسوب لایه ها ایجاد می کند و نیاز به تنظیمات دقیق پارامترهای چاپ برای اطمینان از چسبندگی و یکپارچگی ساختاری اشیاء چاپی دارد.
تفاوت‌های شدید دما در فضا، از تابش شدید خورشید تا مناطق سایه‌دار منجمد، انتخاب مواد و بهینه‌سازی فرآیند برای چاپ سه بعدی را پیچیده می‌کند. نوسانات سریع دما می تواند باعث ایجاد تنش حرارتی و انبساط دیفرانسیل در ساختارهای چاپ شده شود و به طور بالقوه خواص مکانیکی آنها را به خطر بیندازد. قرار گرفتن فیلتر نشده در معرض تشعشعات خورشیدی و کیهانی، پایداری مواد چاپی را تهدید می‌کند و نیاز به اکتشاف مواد مقاوم در برابر تشعشع و استراتژی‌های محافظ دارد. محققان به طور فعال در حال توسعه تکنیک‌های چاپ تطبیقی و فرمول‌بندی‌های مواد هستند که قادر به مقاومت در برابر شرایط سخت حرارتی و تشعشعی ذاتی محیط فضا هستند و از قابلیت اطمینان و عملکرد اشیاء چاپ سه‌بعدی در فضا اطمینان می‌دهند.
3.1. چاپ سه بعدی پلیمری در فضا
چاپ سه بعدی پلیمری در فضا به طور قابل توجهی تکامل یافته است و پیشرفت های تکنولوژیکی، قابلیت های مواد گسترش یافته و تولید موفقیت آمیز بر اساس تقاضای اجزای کاربردی را نشان می دهد. اداره ملی هوانوردی و فضایی (ناسا) در سال 2014 چاپگر سه بعدی مبتنی بر ساخت رشته های ذوب شده را برای مواد پلیمری معرفی کرد، که به عنوان چاپ سه بعدی در نمایش فناوری Zero-G شناخته می شود. تنظیمات ظریفی در تنظیمات فرآیند تولید برای اطمینان از اینکه نمونه ها اجرا شد. اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) تولید شده در شرایط مداری هیچ اثر قابل تشخیصی ناشی از ریزگرانش بر روی مورفولوژی و خواص مکانیکی خود نشان نداد. در سال 2016، اولین تأسیسات تجاری تولید افزودنی نصب شده در ایستگاه فضایی بین‌المللی، نقطه عطف مهمی را رقم زد، که امکان ساخت بر اساس تقاضا و ارائه پشتیبانی علمی برای مؤسسات تحقیقاتی و صنعتی را فراهم کرد. اجزای پلیمری کاربردی مختلف با موفقیت ساخته شده‌اند، از جمله یک اتصال بکسل که دو کره را از یک موقعیت هماهنگ برای نگه‌داشتن، درگیر کردن و جهت‌دهی مجدد محموله‌ها به هم متصل می‌کند.
علاوه بر این، طیف وسیعی از مواد موجود برای چاپ سه بعدی پلیمری در فضا رشد قابل توجهی را تجربه کرده است و اکنون مواد مختلفی مانند ABS، پلی لاکتیک اسید، پلی اتیلن با چگالی بالا، پلی اتریمید/پلی کربنات و حتی کامپوزیت های تقویت شده با الیاف پیشرفته را در بر می گیرد. در می 2020، تیم ما با توسعه موفقیت آمیز یک چاپگر سه بعدی که قادر به تولید کامپوزیت های گرمانرم تقویت شده با فیبر پیوسته است، به یک نقطه عطف مهم دست یافت و امکان ساخت قطعات پلاستیکی با کارایی بالا در فضا را نشان داد.
3.2. پرینت سه بعدی فلزی در فضا
چاپ سه بعدی فلزی در فضا از ساخت ابزار نشات گرفته است. این اکتشاف با فرآیند چاپ سه بعدی مبتنی بر رسوب مستقیم انرژی آغاز شد که از انرژی حرارتی متمرکز برای همجوشی مواد کنترل‌شده استفاده می‌کند. ناسا یک جوشکار پرتو الکترونی تجاری را برای ساخت نمونه‌های آلومینیومی با پرتو الکترونی با امکان‌سنجی از طریق کمپین‌های پرواز سهموی هواپیما مورد استفاده قرار داد. علیرغم تفاوت در شرایط گرانشی، هیچ تفاوت قابل تشخیصی بین ساخت میکروگرانش و گرانش طبیعی مشاهده نشد. با این حال، اجرای رسوب هدایت شده انرژی در فضا به دلیل تجهیزات دست و پا گیر، وضوح محدود کم و نیاز به پس پردازش قابل توجه با چالش هایی مواجه است. تیم ما با موفقیت از یک لیزر کم توان برای ذوب رشته های فلزی استفاده کرد و از یک پیکربندی ضد گرانش روی زمین برای شبیه سازی شرایط فضا استفاده کرد. در این محیط، ما به تولید اجزای استوانه‌ای فلزی با کیفیت بالا با سطح صاف، حفظ درجه خلاء 10-3 Pa و دامنه تغییرات دما 100± درجه سانتیگراد دست یافتیم. روش دیگر، فرآیند چاپ سه بعدی مبتنی بر همجوشی بستر پودری به طور انتخابی مناطق خاصی را در یک بستر پودری ترکیب می‌کند و اجزای کاملاً متراکم با خواص مکانیکی عالی تولید می‌کند. برای پرداختن به چالش‌های ریزگرانش، یک تکنیک رسوب پودر به کمک جریان گاز پیشنهاد شد. این تکنیک جدید با موفقیت اولین ابزار فلزی جهان را ساخت و امکان همجوشی بستر پودری را برای تولید قطعات فلزی آماده برای استفاده در فضا نشان داد.
تمرکز از ساختارهای مکانیکی بزرگ به ساخت دقیق قطعات الکترونیکی با وضوح بالا تغییر کرده است. تکنیک هایی مانند نوشتن مستقیم جوهر برای کشف پتانسیل پرینت سه بعدی فلزی در فضا برای تعمیر برد مدار استفاده می شود. جوهر تعلیق کلوئیدی امکان ایجاد ساختارهای یکنواخت را در شرایط بدون وزن، غلبه بر چالش‌های گرانش صفر/ریز فراهم می‌کند. به‌علاوه، راه‌حل‌هایی مانند چاپ جت پلاسما در چاپ ویژگی‌های فلزی پیچیده، از جمله خطوط نقره‌ای با وضوح زیر میلی‌متری، پدها، الکترودهای بین رقمی و آنتن Wi-Fi مؤثر بوده‌اند.
3.3. چاپ زیستی در فضا
قرار گرفتن طولانی‌مدت در محیط فضا که با ریزگرانش و افزایش تشعشع مشخص می‌شود، منجر به اثرات مضری مانند کاهش توده عضلانی و استخوانی، کاهش فعالیت قلبی عروقی، تغییر عملکرد حرکتی و اختلال در بهبود زخم می‌شود. برای درک این تأثیرات و توسعه ساختارهای بافتی خاص بیمار برای فضانوردان، چاپ زیستی سه بعدی به عنوان یک ابزار قدرتمند ظاهر شده است.
ارگان Bioprinter Bioassembler مغناطیسی. AUT که در فوریه 2019 به ایستگاه فضایی بین‌المللی تحویل شد، اولین چاپ زیستی در جهان را در ریزگرانش به دست آورد و ساختارهای بافت غضروفی سه بعدی را از طریق شناور مغناطیسی تولید کرد. این مطالعه نقطه عطف، امکان چاپ زیستی در شرایط ریزگرانش را تایید می کند. در همان سال، تأسیسات بیوفابریکاسیون سه بعدی در ایستگاه فضایی بین‌المللی، مجهز به چهار سیستم اکستروژن جوهر، ساختارهای بافتی پیچیده‌ای از جمله ساختارهای بافت‌مانند قلب با انواع و اجزای سلولی خاص تولید کرد. اخیراً یک سیستم پرینت زیستی سه بعدی فضایی چینی با واحد کشت با استفاده از جوهر چاپ میکروژل راه اندازی شد. پیش بینی می شود این پیشرفت تحقیقات ضد تومور درمانی و سایر درمان های بیماری در فضا را پیش ببرد. با این حال، اکتشاف بیشتر تکنیک‌های چاپ زیستی با وضوح بالا در فضا برای ایجاد مدل‌های بیومیمتیک بیشتر و آنالوگ‌های بافتی در آینده ضروری است.
4. چشم انداز: آشکارسازی پرینت سه بعدی فضایی - یک مکاشفه تدریجی
پیشرفت چاپ سه بعدی داخل رگه ای در فضا (داخل فضاپیما) به تسلط بر رسوب مواد کنترل شده در ریزگرانش بستگی دارد. استراتژی های فعلی شامل انتقال سرعت اولیه به قطرات مواد یا استفاده از نیروهایی مانند میدان های الکتریکی و نیروهای مغناطیسی است. نکته قابل توجه، استفاده از نیروهای محرکه الکترواستاتیکی با فشار بالا در چاپ الکتروهیدرودینامیک، نیروی محرکه لازم را فراهم می کند و امکان چاپ دقیق مواد در مقیاس میکرو و نانو، از جمله ساختارهای الکترونیکی را فراهم می کند. این رویکرد به ویژه در تولید مدار سودمند است و یک راه امیدوارکننده برای افزایش کارایی و عملکرد ساخت افزودنی مبتنی بر فضا ارائه می‌کند. با کاوش عمیق تر در این مکانیسم های رانندگی نوآورانه، چشم انداز دستیابی به رسوب کنترل شده مواد در محیط های ریزگرانشی گسترش می یابد و مرزهای جدیدی را برای استفاده از فناوری چاپ سه بعدی در اکتشاف فضا باز می کند.
پرینت سه بعدی خارج از ماشین (خارج در حین پیاده روی های فضایی) و پرینت سه بعدی سیاره ای (روی اجرام آسمانی) که به طور بالقوه با سیستم های سنجش و کنترل از راه دور ادغام شده اند، چالش های مهم تری نسبت به چاپ سه بعدی درون رگه ای در فضا ایجاد می کنند. با این حال، مزایای پیش بینی شده این ابتکارات را بسیار امیدوارکننده می کند. شبیه‌سازهای سنگ‌لیت قمری برای ایجاد ساختارهای پیچیده از طریق پرینت سه بعدی مبتنی بر پردازش نور دیجیتال در یک محیط ریزگرانشی استفاده شده‌اند. خواص رئولوژیکی دوغاب سرامیکی با ادغام عوامل غلیظ کننده دقیقاً تنظیم می شود و در نتیجه از انعطاف خمیر سرامیکی در برابر نوسانات گرانش اطمینان حاصل می شود. این تلاش اولیه نمونه‌ای از جاه‌طلبی بشر برای چاپ سه‌بعدی سیاره‌ای است که ما با استفاده از منابع درجا کاوش می‌کنیم. چشم انداز ساخت سازه ها و انجام تحقیقات در محیط های خشن فضا دارای پتانسیل بسیار زیادی است که راه را برای پیشرفت های پیشگامانه در اکتشافات و فناوری فضا هموار می کند. در حالی که پیچیدگی بر ماهیت جاه طلبانه این ماموریت ها تأکید می کند، پاداش های بالقوه آن ها را به تلاش هایی تبدیل می کند که ارزش پیش بینی داشته باشند.
با توجه به محدودیت در دسترس بودن پلتفرم‌ها برای کارهای آزمایشی در فضا یا شبیه‌سازی محیط‌های فضایی، تحقیقات چاپ سه‌بعدی ضد گرانش وسیله‌ای در دسترس‌تر برای اعتبارسنجی و پالایش فناوری‌های در نظر گرفته شده برای کاربردهای فضایی روی زمین است. این آزمایش زمینی علاوه بر مقرون به صرفه بودن، آزمایش های تکراری و فرصت های بهبود مستمر را قبل از استقرار واقعی در فضا ارائه می دهد. به عنوان یک پلت فرم عملی برای آماده سازی ماموریت و آموزش تیم، انطباق موفقیت آمیز فناوری با چالش های منحصر به فرد ناشی از عدم وجود جاذبه در فضا را تضمین می کند.
وقتی از چالش‌های فضایی به صورت استراتژیک استفاده شود، می‌تواند به فرصت تبدیل شود، رویکردهای نوآورانه را تقویت کرده و افق فناوری چاپ سه بعدی را گسترش دهد. برای مثال، ریزگرانش، طرح‌های ابداعی را تحریک می‌کند که از محدودیت‌های زمین فراتر می‌روند. در خلاء، محدودیت‌ها در انتقال حرارت همرفتی منجر به افزایش کریستالینیت در مواد، به‌ویژه پلیمرها و فلزات می‌شود و خواص مکانیکی آنها را افزایش می‌دهد. عدم وجود تأثیرات جوی فرآیندها را ساده می کند، نیاز به اتمسفرهای محافظ را از بین می برد و پیچیدگی سیستم ذاتی در چاپ سه بعدی روی زمین را کاهش می دهد. علاوه بر این، دماهای شدید و شرایط خلاء فرصت هایی را برای دست زدن به مواد خاص باز می کند.
با پیش بینی آینده، چشم انداز چاپ سه بعدی در فضا امیدوارکننده و چالش برانگیز است. ظرفیت ساخت سازه‌های پیچیده در محیط فضایی متمایز، افق‌های جدیدی را برای اکتشاف و پایداری آشکار می‌کند. با این حال، موانع قابل توجهی، از جمله ریزگرانش، محدودیت های مواد، و تقاضا برای دقت بالا، نیاز به توجه متمرکز دارد. تلاش‌های تحقیقاتی در حال انجام با هدف گسترش کاربردهای فناوری، افزایش کارایی، و کشف مواد جدید، تقویت خوش‌بینی در مورد پتانسیل آن برای متحول کردن شیوه‌های تولید و کمک به پیشرفت‌های صنعت است. همانطور که پرینت سه بعدی فضایی در حال تکامل است، باز کردن راه حل های نوآورانه و تقویت خودکفایی در تلاش های فضایی آینده بسیار مهم است.
پرینت سه بعدی فطرس
کیفیت بالا، تنوع متریال، قیمت مناسب، مشتری مداری، تحویل سریع و به موقع، قبول سفارشات فوری، پنل پیگیری و ثبت سفارش تحت وب و جذاب
همین الان ثبت نام کنید و سفارش خود را ثبت کنید
منابع و لینک های مفید
برای تجربه ی بهترین سفارش پرینت سه بعدی، با قیمتی مناسب، همین الان با ما تماس بگیرید.
آدرس: تهران، میدان آزادی، خیابان محمدخانی، پلاک 161، واحد 3
شماره تماس: 09105157564
تلفن ثابت: 02166027586