הדפסה תלת ממדית עבור תחום החלל

April 16, 2018

כאשר מתכננים ומייצירים רכיבים שונים יש צורך להתחשב באילו תנאי סביבה הרכיבים יעמדו כגון טמפרטורת עבודה, סביבת עבודה - באוויר במים או בסביבת גזים אחרים ולחץ עבודה. צריך גם לדעת לאיזה שימוש הרכיב מתכונן: האם החלק צריך להיות אטום, האם החלק צריך לעמוד בכוחות גדולים ועוד

בנוסף יש לדעת מה הסיכונים האפשריים אם אותו רכיב ייכשל, לצורך כך נכתבו תקנים רבים שמפרטים את כל דרישות העבודה והתכנון של חלקים לפי האפליקציה של כל חלק, ניתן באופן כללי לחלק את רמת הדרישות למספר קטגוריות:

 

  1. חלקים ללא דרישות איכות – תקלה בחלק לא תגרום לנזק היקפי (רק לחלק עצמו)

  2. חלקים עם דירשות איכות מינימליות – תקלה בחלק עלולה לגרום לפגיעות

  3. חלקים עם דרישות איכות גבוהות – כגון חלקים לתעשיות הרכב – תקלה עלולה לגרום לפגיעה קשה

  4. חלקים עם דרישות איכות גבוהות מאוד – כגון חלקים לתעשית התעופה וחלקים צבאיים – תקלה בחלק יכולה לגרום לאסון כבד מאוד

  5. חלקים עם דרישות איכות קיצוניות – תעשיות החלל

 

רכיבים המיועדים לשימושים בחלל נדרשים לעבוד בתנאים קיצוניים ביותר, טמפרטורות עבודה קיצוניות גם של חום וגם של קור, הפרשי לחצים גבוהים מאוד – בין הריק של החלל ובין שמירה על לחץ אטמוספרי, עמידות בקרינה גבוהה ועוד...

על מנת לייצר חלקים עבור תעשיית החלל יש צורך בשימוש במגוון טכנולוגיות רב לצורך ייצור חלקים מורכבים שיעמדו בפרמטרי עבודה קיצוניים. בנוסף לפרמטרים שהזכרתי מקודם תעשית החלל היא תעשייה הדורשת תקציבים גבוהים מאוד עקב העלות הכלכלית הגבוהה של שיגור מטענים לחלל ולכן מתכנני רקטות מנסים לשפר ולייעל את אמצעי השיגור לחלל לצורך הוזלת עליות, אחת הדרכים לביצוע ייעול זה הוא על ידי ייצור חלקים מורכבים יותר שיגרמו ליעילות גבוה של המנועים.

רכיבים כאלו הם מורכבים מאוד לייצור באמצעות שימוש בטכנולוגיות מסורתיות אלם באמצעות טכנולוגית הדפסה תלת ממדית ניתן לייצרם בעלות נמוכה בהרבה וניתן גם לייצר חלקים אשר לא ניתנים לייצור באמצעות טכנולוכיות אחרות.

בנוסף באמצעות הדפסה תלת ממדית ניתן לייצר חלקים אשר יבצעו את אותו תפקוד של חלק קיים או אפילו תפקוד מוצלח יותר אך במשקל נמוך בהרבה מהחלק המקורי – על –ידי הפחתה זו של המשקל מקבלים חיסכון משמעותי בעליות השיגור. באופן כללי טכנולוגית ההדפסה היא חסכונית בחומר גלם לעומת עיבוד שבבי, בעוד שבעיבוד שבבי מסירים חומר גלם – תהליך שיוצר בזבוז רב בהדפסה תלת ממדית מוסיפים חומר גלם בדיוק בכמות הנחוצה.

תעשיית החלל בפרט היא אחת התעשיות שמנצלות בצורה המיטבית את היתרונות של הדפסה תלת ממדית ומיישמות אותן בפועל בגלל היתרונות שהזכרתי וגם מהסיבה שרכיבים המיועדים לתעשיה זו לא מיוצרים בסדרות ייצור גדולות אלא פריטים בודדים וסדרות ייצור קטנות כך שלא שווה להשקיע משאבים בפיתוח פסי ייצור יעודיים לרכיבים אלו.

 שיגור של מעבורת החלל

 

 

דוגמא לשיטות ייצור מסורתיות שהדפסה תלת ממדית יכולה להחליפן:

  1. עיבוד שבבי – טכנולוגיה להסרת חומר גלם מגוש מתכת

  2. יציקה – טכנולוגיה לקבלת מוצר ע"י התכת המתכת ועיצובה לצורה רצוייה

  3. חישול – טכנולוגיה של חימום המתכת לטמפרטורה גבוה בה ניתן לעבר את החלק בקלות ולאחר מכן הקניית הצורה ע"י לחיצה וכבישת המתכת באמצעות תבנית

  4. לחצנות – עיבוד פחי מתכת ע"י לחיצה עליהים תוך כדי סיבוב מהיר אל מול תבנית

דוגמא לייצור חלק בהדפסה -  מערכת הזרקת דלק למנוע רקטי:

 

החלק נקרא injector או injector plate זוהי פלטה מרובת חורים שתפקידה לפזר את הדלק ביחס נכון, לחץ מתאים ובצורה אחידה לתוך תא הבעירה.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

פלטות injector בצד ימין מנוע מסוג F-1 (סאטורן 5), בצד שמאל מנוע מסוג H-1

 

תכנון של חלק כזה היא עבודה מורכבת מאוד שמצריכה ניסויים וסימולציות רבות עד לקבלת פרמטרים אופטימלים, מיכוון שעקרון הפעולה של מנוע רקטי הוא יצירת פיצוץ נשלט ומבוקר התפקיד של הinjector הוא קריטי לצורך תפקוד המנוע ולקבלת ביצועים אופטימליים שבאים לידי ביטוי בחסכון בדלק אל מול קבלת דחף מקסימלי.

בייצור החלק יש חשיבות לקבלת רמת דיוק גבוהה, מגבלה עיקרית של ייצור חלק כזה בהדפסה תלת ממדית הוא הגודל הפיזי שלו, עבור מנועים רקטיים מאסיבים יש צורך בפלטה גדולה במיוחד ועד לפני מספר שנים האפשרות לייצר פלטה כזו מודפסת היתה רק עבור מנועים קטנים, היום עם הגידול בשטח ההדפסה במדפסות חדשות ניתן לייצר פלטות עבור מנועים גדולים יותר.

עם התפתחות מדפסות מתכת חדשות ניתן לייצר גם רכביים נוספים עבור מנועים רקטיים ורכיבי שירות אחרים לתחום החלל בעלי גודל ומורכבות גדולים יותר, רכיבים אלו מחליפים רכיבים שיוצרו בשיטות מסורתיות במספר רב של שלבים, באמצעות מספר טכנולוגיות ייצור שונות  ואשר הורכבו ממספר חלקים גדול (כל תוספת שלב ליצור והרכבה גורמת לעלות כספית נוספת ומגדילה את הסיכון לכשל)

הביצועים של חלקים מודפסים אלו עולים על הביצועים של החלקים שיוצרו בשיטות מסורתיות, כמו כן הם זולים ומהירים יותר לייצור ומאפשרים למתכנני החלקים גמישות גדולה יותר.

 

דוגמא לייצור מנוע רקטי תוך שימוש מסיבי בחלקים מודפסים -  חברת Rocket Lab

 

בתאריך ה21-1-18 שוגר לראשונה בהצלחה משגר לווינים משטחה של ניו זילנד, המשגר בגובה 17 מטרים (משגר קטן מאוד במונחי משגרים) המשגר נקרא בשם אלקטרון (Electron) ופותח על-ידי חברה האמריקאית-ניו זילנדית בשם Rocket Lab,

משגר האלקטרון מיועד לשאת לווינים קטנים לחלל – שיגור מטען של עד 150 ק"ג למסלול בגובה של עד 500 ק"מ, בעלות נמוכה של 4.9 מיליון דולר לשיגור.

החברה לא נידבה הרבה אינפורמציה לגבי ייצור המנוע בהדפסה, כן נמסר שהמנוע הודפס ב24 שעות, ככל הנראה רכיבי המנוע השונים תוכננו להפחתת משקל מקסימלית תוך שמירה על שלמות מבנית וביצועיים מכאניים, ייתכן ורכיבים נוספים תוכננו לצורך שמירה על זרימת נוזלים אופטימלית.

אחד המאפיינים החשובים של הדפסה תלת ממדית היא האפשרות לייצירת מטריצות שונות שמפחיתות את משקל החלק בצורה ניכרת אבל שומרות על ביצועים תקינים.

חלקי משגר נוספים שניתן לייעל מאוד באמצעות הדפסה כוללים גם מרכיבים בערבוב הדלק (בדומה לדוגמא הקודמת) וכן מגני חום שיוכלים לנצל את שיטת המטריצות – המגן יפעל באותו אופן של מגן חום רגיל אך במשקל נמוך בהרבה.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

מימין - משגר האלקטרון, למעלה - אתר השיגור של חברת rocket lab

 

 

 

דוגמא לייצור מנוע רקטי בהדפסה תוך שימוש בשני חומרים שונים -  NASA

 

מהנדסים במרכז החלל מארשל (Marshall) באלבמה בדקו אבטיפוס ראשון של מנוע עבור נאס"א המודפס לראשונה משני חומרים שונים.

יצירת חלקים מודפסים ממספר חומרים אפשרית ומבוצעת כבר בהדפסות בתחום הפלסטיק אולם בייצור חלקי מתכת רמת המורכבות עולה, הדפסה עם שני חומרים מתכתיים שונים (שתי סגסוגות) היא משימה לא פשוטה, כאשר מדפיסים מספר חומרים שונים יש לדאוג שהחומרים ידבקו אחד לשני, שטמפרטורת ההתכה של החומרים תיהינה קרובות ושתכונות נוספות כגון מקדמי התפשטות של החומרים יהיו דומים.

הרכיב המשמעותי במנוע  לצורך בדיקת הטכנולוגיה הוא המצת (igniter) – רכיב המאפשר את תחילת ההתנעה של המנוע, באופן מסורתי תהליך הייצור של המצת מבוצע באמצעות שיטה הנקראת brazing – זוהי שיטה לחיבור של שתי מתכות באמצעות חומר מילוי אשר מותך בטמפרטורה נמוכה מטמפרטורת ההתכה של המתכות שרוצים לחבר.

 

שיטה זו דורשת הרבה עבודה ידנית – תהליך יקר וארוך, באמצעות ההדפסה של שני מרכיבים ניתן לקצר את התהליך, להוזיל אותו וכן ליצור תהליך הדיר (repeatability) יותר שלא תלוי בגורם האנושי וכן מייצר חלקים אמינים יותר לשימוש.

בבדיקה תחת מיקרוסקופ שביצעו לחלק המודפס נתגלה כי שתי המתכות התחברו אחת לשנייה ויצרו אזור דיפוזיוני משותף – תהליך אשר גורם ליצירת קשרים חזקים בין המתכות.

 

                                           ניסוי בדיקה של מנוע רקטי

 

תהליך ההדפסה בוצע באמצעות מדפסת של חברת DMG MORI, ההדפסה בוצעה עם סגסוגת של נחושת וסגסוגת בשם אינקונל (INCONEL) שהיא סגסגות על של ניקל, תהליך הייצור ללא שימוש במדפסת  כלל 4 חלקים שונים שיוצרו בנפרד וחוברו באמצעות תהליך הbrazing, ההדפסה חסכה את ייצור כל אחד מהרכיבים בנפרד וגם את תהליך חיבורם.

 

דוגמא לשימוש בפלסטיק מודפס לצורך יצירת מנוע רקטי – MIT

 

כאשר חושבים על חומרים למנוע רקטי שתוצרי הפעולה שלו הם גזים באלפי מעלות חושבים על שימוש בחומריים מתכתיים או חומרים קראמיים עמידים בטמפרטורות גבוהות.

אולם קבוצה של סטודנטים מהמכון הטכנולוגי MIT  ייצרו ובדקו מנוע שלם שהודפס כולו מפלסטיק!

המנוע נבדק פעמיים: בבדיקה הראשונה המנוע עבר כשורה וגם סיפק דחף, המנוע הונע באמצעות חומר בעירה פחות אנרגטי מהרגיל שבא לידי ביטוי בלחץ נמוך יותר ופחות התחממות על מנת להגן על חלקי המנוע, הגזים הנפלטים הגיעו למהירויות על קוליות, המעטפת של המנוע שרדה עם נזקים קלים של מספר מילימטרים של פלסטיק שנשחק.

 ניסוי ההרצה במנוע פלסטיק מודפס פרי פיתוח צוות סטודנטים בMIT

 

מנוע תוכנן לשימוש יחד אבל עקב הניסוי הראשון המוצלח החליטו לבדוק אותו פעם שנייה, בהרצה השנייה נעשה שימוש בדלק אנרגטי יותר, אולם לאחר מספר שניות  של בעירה הגזים הנפלטים עברו ממהירות על קולית לתת קולית ופליטת הגזים נעשתה לא יציבה.

ברור שדגם זה הוא רק אבטיפוס ראשוני לבדיקת היתכנות ועד ליצירת מנוע עובד אמיתי יקח עוד זמן רב.

אולם צוות הסטודנטים עשה משהו שלא עשו לפניו והראה שניתן עקרונית לבנות מנוע עובד מודפס מפלסטיק,

 

דוגמא לתכנון ועיצוב חדשני למנוע רקטי – אוניברסיטת מונש באוסטרליה

 

כבר הזכרתי מקודם שהדפסה תלת ממדית היא כלי רב עוצמה המאפשר למהנדסים ביחד עם תוכנות תיב"ם (תכנון בעזרת מחשב) לתכנן ולייצר במהירות חלקים חדשים, ניתן לבחון בקלות רעיונות חדשניים שלא נוסו עד כה (עקב חוסר תקציב או עקב חוסר בטכנולוגית ייצור מתאימה), המגבלות החדשות כעט הם בעיקר מגבלות הדמיון והיצרתיות של המתכננים, במקרה הבא המתכננים מאוניברסיטת מונש (Monash University) באוסטרליה פיתחו קונספט חדש למנוע רקטי ויצרו מנוע בעל עיצוב שונה לגמרי מהמנועים הרקטיים הקיימים כיום.

המתכננים שמו דגש על הגיאומטריה של צינור הפליטה (Nozzle) ועל מערכת הקירור לצורך קבלת יעילות מוגברת אל מול המנועים הקיימים,  בטכנולוגיות ייצור מסורתיות היה בלתי אפשרי לייצר את הרכיבים לפי דרישות התכנון אולם בהדפסה תלת ממדית הדבר אפשרי.

כל הפרוייקט משלב הקונספט ועד שלב הבדיקה של המנוע (כולל ייצורו) ערך כ4 חודשים בלבד.

 

הדפסה תלת ממדית על תחנת החלל הבינלאומית

 

 tאסטרונאוט מחזיק חלק שהודפס במדפסת תלת מימד בחלל

 

המאמר עסק עד כה בייצור חלקים עבור תעשיית החלל, ישנו נדבך נוסף לנושא והוא הדפסה תלת ממדית בחלל עצמו, בתחנת החלל הבינלאומית (ISS) ישנה מדפסת תלת מימד החל משנת 2014.

המדפסת נבדקה תחילה במטוס המדמה מיקרו כבידה (באמצעות טיסה במסלול פרבולי) ולאחר מכן נשלחה לתחנת החלל הבינלאומית באמצעות משגר של חברת SpaceX.

המדפסת יוצרה על-ידי חברת Made In Space האמריקנית, המדפסת עובדת בטכנולוגית הדפסת FDM  והניסוי להפעלת המדפסת בא לבדוק הוכחת היתכנות לשימוש בטכנולוגית ההדפסה בחלל.

בתאריך 11-12-2014 הודפס החלק הראשון  אי פעם בחלל – אבזם שמשמש כחלק מציוד האימון של האסטרונאוטים למניעת אובדן מסת שריר.

 

 מדפסת תלת ממד של חברת made in space בתחנת החלל הבינלאומית

 

בשנת 2016 שוגרה מדפסת שנייה שהחליפה את דגם בדיקת היתכנות, המדפסת משמשת כמדפסת קבועה בתחנה, המדפסת החדשה בעלת שטח הדפסה כפול מהמדפסת הראשונה (140*100*100 מ"מ), בעלת מהירות הדפסה גבוה יותר ודיוק גדול יותר, בנוסף היא יכולה להדפיס מספר חומרים רב יותר (ABS, PC, PE, PEI)

האפליקציה של מדפסת תלת מימד על גבי תחנת החלל הבינלאומית  (או לצורך העניין כל משימת חלל מאויישת אחרת) היא חשובה מאוד, ניתן לייצר כלי עבודה או חלקים קריטים שונים באופן עצמאי וללא תלות בחלקים שיגיעו מכדור הארץ, במשימות לכוכבי לכת אחרים (דוגמת מאדים) הצורך הוא קריטי אפילו יותר מיכוון שעזרה מכדור הארץ לא תיהיה אפשרית כלל.

בנוסף החברה שמייצרת את המדפסת מציעה ללקוחות היום שמייצרים חלקים או ניסויים עבור תחנת החלל לחסוך את עלות השיגור היקרה ומקום לשגר חלקים להדפיס אותם בחלל (כאשר הדבר אפשרי ומתאים לאפליקציה של החלק המבוקש)

חברת Made in space ביחד עם שתי חברות נוספות: Northrop Grumman ו Oceaneering מתכננות יחד מיזם חדש שמטרתו ייצור מבנים גדולים בחלל (Archinaut), שייוצרו בטכנולוגית ההדפסה ע"י רובוטים, הדגמה ראשונה לטכנולוגיה זו בחלל מתכוננת לשנת 2019.

 

 בדיקת המדפסת במיקרו כבדיה ושיגור המדפסת לתחנת החלל הבינלאומית

 

סרטון המסביר לגבי הדפסה תלת ממדית בתחנת החלל הבינלאומית 

 

סרטון המספר על ההרצה הראשונהשל המדפסת בתחנת החלל הבינלאומית

 

לסיכום אפשר לומר בוודאות שתחום ההדפסה כבר היום משמש יצרנים רבים לתחום החלל (אם לא את כולם) עקב כל היתורונות של הדפסה אל מול טכנולוגיות יצור מסורתיות שהוזכרו במאמר, כיום יש מגוון גדול של טכנולוגיות ייצור במתכת בהשוואה ללפני 10 שנים, הגידול בא לידי ביטוי בייצור חלקים מורכבים וגדולים יותר.

בעתיד נראה גם שיפור בשימוש בחומרי הדפסה חדשים ובמספר חומרים שונים שיודפסו יחד .

אין ספק שתחום ההדפסה תורם מאוד לתעשיית החלל ועוזר לדחוף ולקדם אותו.

Share on Facebook
Share on Twitter
Please reload

Featured Posts

I'm busy working on my blog posts. Watch this space!

Please reload

Recent Posts