Lucht- en ruimtevaart – 3D-printen in de lucht

3D-printen in de lucht- en ruimtevaart

Met name in de lucht- en ruimtevaartindustrie heeft 3D-printen een enorm potentieel. Het gebruik van additive manufacturing houdt hier onder meer in dat reserveonderdelen aan boord van het ruimtestation en ook in raketten kunnen worden vervaardigd, dat het voedselprobleem aan boord van het ISS en latere modules kan worden opgelost, en dat voorbereidingen kunnen worden getroffen voor een nieuwe landing op de maan. We kunnen ons ook voorstellen dat deze technologie gebruikt kan worden voor reizen naar Mars. Maar het zal waarschijnlijk nog enkele jaren duren voor de eerste Marsmissie plaatsvindt. Uiteraard zal de tijd tot die tijd niet stilstaan in het onderzoek naar en het gebruik van additieve vervaardiging in de lucht- en ruimtevaart.

Waarom heeft de lucht- en ruimtevaart baat bij 3D-printen?

Er zijn maar weinig bruikbare grondstoffen in de ruimte. Tegelijkertijd zweeft er veel stof in de lucht. Het idee is om microscopisch kleine deeltjes toe te voegen aan het samengeklonterde stof om vaste structuren te creëren met behulp van additieve vervaardiging. Van deze structuren kunnen reserveonderdelen worden gemaakt, maar ook van recycleerbare plastic en metalen onderdelen die ter plaatse kunnen worden versnipperd en verwerkt tot nieuw filament. Deze kunnen dan worden ingebouwd in apparaten of toestellen, gebruikt voor wetenschappelijke experimenten en dergelijke. Zelfs voedsel kan visueel aantrekkelijker worden gemaakt met een 3D-printer. Zo heeft de NASA een project gefinancierd van de Systems and Materials Research Corporation om de ontwikkeling te bevorderen van 3D-voedselprinters die kunnen worden gebruikt in een gewichtloze omgeving.

Bovendien is het zeer kostbaar om gereedschap en andere materialen per raket naar het ISS te sturen. De kosten per kilo zijn het equivalent van ongeveer 17.000 US dollar. Daarom is het zinvoller materiaal te verzenden dat dan ter plaatse tot gereedschap, reserve-onderdeel of iets dergelijks wordt gevormd en later eventueel opnieuw kan worden gerecycleerd. Het vervoer van de 3D-printer en het filament is dus aanzienlijk goedkoper dan het vervoer van afgewerkt gereedschap en reserveonderdelen, die dan ook nog moeten worden opgeslagen.

3D printer voor zwaartekracht

NASA heeft samen met het bedrijf Made in Space een 3D-printer ontwikkeld, genaamd Zero G, die zonder zwaartekracht werkt. Dit apparaat maakt gebruik van FDM-technologie (Fused Deposition Modelling) en is reeds met succes getest. Op dat moment stuurde het grondstation het bestand door naar het ISS, waar de 3D-printer vervolgens een ratel maakte.

Een ander doel is nu een database op te zetten met alle 3D-bestanden voor onderdelen die in het ruimtestation nodig zullen zijn. Als een dergelijk onderdeel defect raakt, kan het direct ter plaatse opnieuw worden bedrukt, wat veel minder tijd kost dan het vervoer van een vervangend onderdeel per raket. Om nog maar te zwijgen over de kosten.

Voedseldruk in de ruimte

NASA-ingenieurs hebben een technologie ontwikkeld om astronauten te voeden tijdens lange ruimtevluchten of ruimtemissies. Zij hebben bijvoorbeeld een 3D-printer ontwikkeld die een driedimensionale pizza in de ruimte kan produceren. Aangezien pizza's in lagen worden gemaakt (eerst het deeg, dan de tomatensaus, dan meer toppings en tenslotte de kaas), past dit heel goed bij 3D-printen, want ook hier wordt in lagen geprint. Het duurt maar een paar minuten voor de pizza klaar is.

Bouw van een maanstation ook denkbaar met behulp van 3D-printen

Het Europees Ruimteagentschap (ESA) hoopt 3D-printing te kunnen gebruiken om een maanstation te bouwen. Daartoe heeft de architectuurstudio Fosters + Partners, samen met het bedrijf Monolite UK, een structuur ontworpen die later op een koepel op de maan zal worden gemonteerd. Deze koepel wordt op aarde gebouwd, vervolgens ter plaatse opgebouwd en gestold met materiaal dat op de maan beschikbaar is. De koepel dient als verdediging tegen meterorietinslagen en filtert zowel zonnestraling als gammastralen.

Motor uit de 3D printer

Reeds in het midden van dit decennium presenteerde de ESA de eerste 3D-geprinte motor voor ruimtevaartuigen, voorzien van een platina verbrandingskamer. Het gebruik van 3D-printing heeft enkele voordelen aan het licht gebracht. De motor zelf is even krachtig als een conventioneel gebouwde motor. De voordelen van deze technologie zijn onder meer lagere productiekosten en het gebruik van nieuwe materialen.

Voor een 1D-motor heeft SpaceX een oxidatieklep voorgesteld. Deze moet worden geïnstalleerd in Falcon 9-raketten.

3D-printen in de luchtvaart

3D-printers worden steeds meer gebruikt, niet alleen in de lucht- en ruimtevaart, maar ook in de luchtvaart. Zo kondigde Stratasys enige tijd geleden aan dat het 1.000 3D-geprinte onderdelen in een Airbus had geïnstalleerd. Pratt & Whitney heeft met Bombardier samengewerkt om de vervaardiging van 3D-geprinte motoronderdelen mogelijk te maken. Ook vliegtuigbouwer Boeing heeft de tekenen des tijds ingezien en een octrooi aangevraagd dat het mogelijk maakt reserveonderdelen voor zijn machines te printen door middel van additieve vervaardiging. Dit kan de transport- en opslagkosten aanzienlijk drukken.

Vliegtuigfabrikant Boeing is een samenwerking aangegaan met Thermwood voor de productie van een groot 3D-geprint gereedschapsonderdeel. Dit gereedschap zal worden gebruikt in de X777 vliegtuigen.

Siemens zet zich ook in voor het gebruik en de verdere ontwikkeling van 3D-printen. Het bedrijf heeft bijvoorbeeld de handen ineengeslagen met vliegtuigonderdelenfabrikant Strata om voor vliegtuigen van Etihad Airline monitorframes te printen die aan de achterzijde in de rugleuningen van de stoelen zijn verzonken. Tot dan moesten de frames nog manueel bewerkt worden.

Conclusie

Het gebruik van 3D-printing in de lucht- en ruimtevaartindustrie brengt veel voordelen met zich mee. Daartoe behoren niet alleen de lagere hoeveelheden verbruiksgoederen in vergelijking met de conventionele productie en de productie van gecompliceerde geometrieën “vanuit één enkele matrijs”, maar ook de lagere kosten. Bovendien zijn 3D-geprinte onderdelen vaak veel lichter. Uiteraard heeft elke kilo gewichtsbesparing een positief effect op het brandstofverbruik. Een ander voordeel, vooral voor de ruimtevaart, is dat de voorwerpen direct ter plaatse kunnen worden vervaardigd – dus ook in het ruimtestation of later op de maan en Mars.

Verdere literatuur/bronnen:

  • https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/1115.html
  • https://www.detail.de/blog-artikel/lebensraum-aus-dem-drucker-mondprojekt-von-foster-partners-22990/
  • https://blog.thermwood.com/boeing-and-thermwood-partner-to-demonstrate-new-3d-printing-technology-0
  • https://www.siemens.com/innovation/de/home/pictures-of-the-future/industrie-und-automatisierung/3d-druck-ersatzteile-fuer-flugzeuge.html