Druk 3D z metalu w kosmosie. Polacy w projekcie ESA

Projekt o nazwie Lamda-g (Laser metal wire deposition in absence of gravity) realizowany jest przez konsorcjum europejskich ośrodków badawczych, a pracami po stronie polskiej kieruje dr inż. Paweł Widomski z Wydziału Mechanicznego PWr. W skład zespołu wchodzą również prof. Zbigniew Gronostajski, dr hab. inż. Marcin Winnicki, prof. uczelni i dr hab. inż. Marcin Kaszuba, prof. uczelni.

Druk 3 w kosmosie

Technologie druku 3D są dziś szeroko wykorzystywane w przemyśle i medycynie, jednak rozwój metod przetwarzania metali otwiera nowe możliwości dla sektora kosmicznego. W projekcie Lamda-g zastosowano laserowe topienie litego drutu, które – w przeciwieństwie do technologii proszkowych – umożliwia znacznie szybsze wytwarzanie elementów, sięgające nawet kilkunastu kilogramów materiału na godzinę.

Jak podano w oficjalnym komunikacie uczelni, kluczowym aspektem tej metody jest stabilne formowanie tzw. jeziorka ciekłego metalu, co w warunkach mikrograwitacji stanowi jedno z głównych wyzwań inżynieryjnych.

„Przez wiele lat druk 3D z metalu kojarzył się głównie z technologiami proszkowymi, które, choć precyzyjne, mają istotne ograniczenia. Proszek metaliczny jest nie tylko kosztowny, ale jego użycie wymaga szczelnie zamkniętych komór, co znacząco ogranicza rozmiar projektowanych elementów” — podkreślił dr inż. Paweł Widomski.

„Używanie proszków metali w stanie nieważkości stwarza również ogromne problemy techniczne. Dlatego właśnie w naszym projekcie chcemy wykorzystać inną technologię opartą na laserowym topieniu litego drutu (ang.Laser Metal Wire Deposition)” – dodał naukowiec.

Kluczowe wyzwania

Dr Widomski wskazał, że fizyka całego procesu w stanie nieważkości różni się znacząco od tej ziemskiej. „Bez grawitacji zmienia się sposób osadzania, ponieważ kropla może nam „uciekać”, o ile nie będzie wystarczającej lepkości. Inaczej przebiegać będzie chłodzenie materiału i jego krystalizacja, co może prowadzić do powstawania naprężeń, pęknięć lub błędów w strukturze metalu” – podkreślił.

Z przekazanych informacji wynika, że kluczowym elementem prac będzie precyzyjne przewidzenie zachowania ciekłego metalu w warunkach mikrograwitacji, tak aby uniknąć sytuacji, w której dostarczona energia okaże się niewystarczająca do stopienia drutu lub przeciwnie, gdy będzie zbyt wysoka i doprowadzi do niekontrolowanego rozpływania i deformacji wytwarzanego elementu. Z tego względu projekt zakłada wieloetapowy proces weryfikacji, obejmujący zarówno symulacje laboratoryjne, testy niezawodności systemów, jak i eksperymenty w lotach parabolicznych.

Należy pamiętać, że wyniesienie na orbitę każdego kilograma ładunku jest niezwykle kosztowne, dlatego jednym z wyzwań będzie również konieczność miniaturyzacji całego urządzenia. Naukowcy zaangażowani w projekt zakładają, że maszyna nie powinna być większa niż klasyczna kuchenka mikrofalowa. Musi być też na tyle wytrzymała, żeby przetrwać ogromne przeciążenia towarzyszące startowi rakiety.

„Na stacjach kosmicznych takich jak ISS są ograniczone możliwości korzystania z energii elektrycznej. To dlatego całe urządzenie musi pracować przy mocy około 1 kilowata, co można porównać do zużycia prądu przez niewielki czajnik elektryczny. W tym limicie musi się zmieścić praca lasera topiącego metal, systemy chłodzenia, komputery sterujące oraz mechanizmy pozycjonujące” – opisał dr Widomski.

Kampania testowa

Eksperymentalna drukarka 3D zostanie przetestowana podczas lotów parabolicznych z wykorzystaniem rakiet suborbitalnych typu Maxus, realizowanych z Centrum Kosmicznego Esrange w Szwecji. Taki lot umożliwia prowadzenie badań w warunkach mikrograwitacji przez około 15 minut.

Naukowcy planują udział w kampanii testowej na miejscu, aby nadzorować przygotowania oraz jak najszybciej po lądowaniu przejąć próbki do szczegółowych analiz mikrostrukturalnych. Uzyskane dane posłużą do końcowej kalibracji systemu, który docelowo ma działać w pełni autonomicznie.

„Eksperyment będzie szansą, by zweryfikować model zachowania się osadzanych kropli metalu podczas druku. Jeśli nauczymy się modelować te zjawiska, będziemy w stanie kontrolować później procesy druku w misjach pozaziemskich oraz na stacjach kosmicznych” – zaznaczył dr Widomski.

Obecnie zakończenie projektu Lamda-g planowane jest w 2029 r. Warto nadmienić, że technologia rozwijana w ramach Lamda-g może znaleźć zastosowanie m.in. w naprawach satelitów, budowie infrastruktury orbitalnej czy długotrwałych misjach kosmicznych, gdzie dostęp do części zamiennych jest ograniczony.

Projekt realizuje konsorcjum, w skład którego wchodzą Uniwersytet w Manchesterze (lider), Uniwersytet w Cranfield (Wielka Brytania), Uniwersytet w Dublinie (Irlandia), Instytut Fizyki Materiałów w Kosmosie w Kolonii (Niemcy) oraz Politechnika Wrocławska. Wrocławscy naukowcy będą zaangażowani w opracowanie systemu druku 3D, analizę mikrostruktury i właściwości wydruków oraz dobór parametrów, które zagwarantują najwyższą jakość i bezpieczeństwo druku w kosmosie.

Źródło: Politechnika Wrocławska