Из данной статьи вы узнаете об опытах по экструзионной печати в космосе с первых опытов по современность. А так же о проблемах, связанных с проектированием "космического 3D-принтера"
Введение
Космические технологии не стоят на месте, космическая 3D-печать - одна из них. На текущий момент на МКС произведены различные опыты по 3D-печати – на биопринтере, на фотополимерном, спеканием лунного грунта, «готовится» к отправке оборудование для 3D-печати металлом. Но в данной статье пойдет речь о «космических» 3D-принтерах для экструзионной печати термопластами (FDM или FFF 3D-принетры), т.к. именно с них началась история 3D-печати в космосе.
На начало 2024 года экструзионную 3D-печать в космосе продемонстрировали три страны: США, Китай и Россия. Европейское космическое агентство (ESA) тоже участвовало в этой гонке… но пока только демонстрирует «успехи» и «подает надежды» - ни один принтер от ESA в космос так и не полетел…
Основные проблемы при разработке космического FDM-принтера:
- неизвестность - а вообще, возможна ли экструзионная печать в невесомости. После опытов США в 2011-2014 годах - стало ясно, что возможна.
- необходимость обеспечения максимальной автоматизации процесса печати.
В США вопрос автоматизации более-менее решен только к 2016 году, в России - к 2020 году, в Китае - к 2016, ESA с задачей так и не справилось.
- необходимость крепкой и жесткой конструкции, способной выдержать перегрузки при взлете.
- необходимость сохранения безопасной атмосферы на космическом аппарате - герметичность, фильтрация воздуха.
В США это вопрос окончательно решен к 2016 году, в России - к 2020 году, Китай - неизвестно, страна закрытая. ESA даже не ставило себе такую задачу.
Космическая 3D-печать - США. Первые.
История космических FDM-принтеров в США началась примерно в 2010 году, когда была создана компания «Made in Space» Кеммером, Джейсоном Даном, Майком Ченом и Майклом Снайдером во время обучения в аспирантуре Университета Сингулярности.
Университет Сингулярности – частная лавочка, не имеющая статуса учебного заведения, и не стремящегося его получить. Аспирантура Университета Сингулярности не имеет права присваивать ученые степени.
В 2011 году уже были готовы какие-то прототипы и совместно с NASA начались опыты на «рвотной комете» в условиях невесомости.
«Рвотная комета» - специальный самолет NASA для имитации невесомости в течении нескольких десятков секунд в режиме «свободного падения». NASA использует KC-135A, в нашей стране для аналогичных целей используют ИЛ-76.
Всего было проведено более 400 тестовых парабол.
В 2013 году начато изготовление первого окончательного варианта «космического» FDM-принтера «Zero-G», к 2014 году принтер был готов и в июне был показан публике, а 21 сентября 2014 года отправлен на МКС грузовым кораблем, 17 ноября начался его монтаж в американском сегменте МКС. 24 ноября 2014 года была напечатана первая деталь в космосе – декоративная табличка с логотипом компании-разработчика.
Принтер состоял из двух блоков - блока печати и блока управления. Т.к. безопасность и герметичность принтера вызывали вопросы – он был помещен внутри закрытого герметичного блока. Первоначально предполагалось, что блок будет оснащен перчатками, но в последующим от них отказались, заменив их герметичными заглушками, которые на время обслуживания принтера снимались, делая блок негерметичным.
11 декабря 2014 была отпечатана пряжка вместо сломавшейся для тренажера для поддержания физической формы, 17 декабря – гаечный ключ «с трещоткой». Гаечный ключ был разработан на земле, а потом его 3D-модель была передана на станцию через стандартные каналы связи.
После удачных опытов был разработана вторая модель FDM-принтера, которая 22 марта 2016 года грузовым кораблем Cygnus была доставлена на МКС. Второй принтер мог печатать уже тремя видами пластика – ABS, полиэтиленом и специальным филаментом «Astro», разработанным для печати в космосе.
Второй вариант принтера уже был более совершенным – герметичным, автоматизированным, с фильтрацией воздуха, и не требовал размещения в «герметичном» боксе.
В июне 2016 года на новом принтере были распечатаны гаечный ключ и многофункциональный инструмент, разработанный старшеклассником из Энтерпрайза (штат Алабама) Р.Дж.Хилланом
Эксперименты с экструзией не ограничились 3D-печатью: в мае 2015 года на МКС был доставлен специальный экструдер для изготовления оптоволоконных кабелей ZBLAN.
Пуско-наладка и эксперименты заняли почти 10 лет, но в феврале 2024 года было объявлено, что изготовлено более 5 км оптоволокна, которое будет доставлено на Землю в ближайшее время.
Не было забыта и идея изготавливать на МКС филамент из «вторичного пластика».
Первоначально заказ был выдан уже упомянутой выше фирме «Сделано в космосе» в 2104 году, но в итоге 19 ноября 2018 года на МКС был доставлен Refabricator – станцию для переработки пластикового мусора в филаменты для 3D-принтеров Tethers Unlimited. Данное устройство заточено под переработку полиэфиримида (ПЭИ).
2 ноября 2019 года на МКС было доставлено второе устройство - Braskem Recycler, совместная работа бразильской нефтехимической компании Braskem и Made in Space.
Космическая 3D-печать - Россия. Вторые на МКС, третьи в целом.
У нас разработка космического FDM-принтера началась в 2016 году.
Первоначально разработка велась в Сколково стартапом «Анизопринт» при поддержке компании «Спутникс».
Но уже в декабре 2016 года координационный научно-технической совет Роскосмоса официально одобрил программу космических испытаний 3D-принтера, сконструированного специалистами Томского политехнического университета совместно с Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН.
Глядя на фотографии вверху - я думаю, без слов понятно, почему был выбран "томский" принтер для дальнейшей доработки.
В отличии от американского, наш принтер должен был быть герметичным, автоматизированным и абсолютно безопасным для эксплуатации. В отличии от американского он не требовал специального бокса для размещения.
Вопросы автоматической загрузки филамента, герметичности, системы фильтрации воздуха требовали времени для проработки и разработки и сроки отправки «томского космического 3D-принтера» все время сдвигались «в право».
Вначале назывался 2018, потом 2019 год, потом 2021, потом 2022 год.
2022 год стал решающим – 31 мая томский космический 3D-принтер «полетел в космос» на космическом корабле «Прогресс МС-21», успешно доставлен на МКС.
Распаковка, установка, настройка была закончена к 3 августа 2022 года космонавтом Олегом Артемьевым.
После доставки филамента 29 ноября 2022 года космонавт Сергей Прокопьев выполнил пробную печать. Опечатанные тестовые детали были возвращены на Землю для исследования.
В январе 2023 года была напечатана первая «функциональная» деталь - кронштейн для крепления камеры на иллюминатор многоцелевого лабораторного модуля «Наука» внутри станции. Камера предназначена для отслеживания стыковки шлюзовой камеры к новому модулю
С весны 2023 по июль 2023 года были напечатаны шахматы и макеты модулей станции. Макеты модулей используются для отработки действий в космосе (точнее для разработки этих действий – «вот ты перемещаешься туда, а я буду в этом месте» и т.п. – как выразился космонавт Дмитрий Петелин «отработка пешем по-летному»)
Космическая 3D-печать - Китай. Второй, "темная лошадка".
Космическая программа Китая – очень закрытая. Информации просачивается мало.
Когда начались разработки «космического» принтера – неизвестно, но в прессу сведения о начавшихся работах просочились в 2014 году
В апреле 2016 года было анонсировано, что космический 3D-принтер готов к полету, 5 мая принтер был оправлен в космос на космическом корабле, запущенном ракетой-носителем «Чанжен-5».
Речь идет о испытательном полете прототипа пилотируемого космического корабля. Полет проходил без экипажа, тем не менее – была осуществлена тествая 3D-печать в космосе. Естественно – в полностью автоматическом режиме. Причем не просто «обычным» филаментом – а композитом с рубленным углеволокном.
8 мая прототип корабля успешно совершил посадку во внутренней Монголии.
С одной стороны - автоматическая печать в космосе - круто. С другой - отсутствие людей на борту автоматически решает вопрос с герметичностью, безопасностью и фильтрацией воздуха - то, что так долго решалось у нас и в США. Нет экипажа - не нужна и герметичность, фильтрация воздуха.
"Космическая" 3D-печать - Европа. Аутсайдеры.
Европейское космическое агенстов (ESA) начала свои работы над “космическим» принетром одновременно с амеркианцами. Но немного опоздали в гонке – их принтер POP3D был представлен в 2014 году, в 2015 году планировалось отправить его на МКС, но… разум возобладал – принтер был негерметичным (т.е. был реальный шанс отравить атмосферу МКС), требовал постоянного ручного вмешательства, и не удалось побороть бич FFF-принтеров – перехлест филамента из-за некачественной намотки на катушку.
Собственно говоря, взглянув на последнее фото в галерее вверху - становится понятно, что с таким качеством намотки филамента посылать принтер в космос не имеет смысла.
Заключение
На текущий момент по FDM-печати в космосе – всё.
Следует отметить умение американцев рекламировать и пиарить свои достижения. Один принтер - в космос, второй - на земле, печатает точно такие же детали на потеху журналистам. Детский конкурс на самый лучший инструмент для космонавтов и т.п. Много профессиональных фоток и пиара.
На противоположном полюсе - Китай. Что, как и чем занимается - неизвестно. Информация просачивается случайно, в гомеопатических дозах.
В середине - мы. Немного фоток. Отсутствие объяснений для публики по поводу сдвигания сроков, важности и сложности темы. Что нам мешало сделать такие же красивые фотки отпечатанных деталей на фоне Земли?
Ну а европейцы - как были космическими аутсайдерами, так и остались. Не смотря на красоту и аккуратность их "космический" принтер - образец безалаберности и пофигизма. Сложно сделать герметичный корпус с фильтрацией воздуха? Не беда, пусть в МКС люди в средствах защиты работают! Филамент на катушке раскручивается и постоянно случаются сбои в печати из-за перехлёстов? Ерунда, пусть космонавт притормаживают катушку рукой и держит конец! Каким образом они рассчитывали ТАКОЕ отправить на МКС?
Об других опытах 3D-печати в космосе (биопечати, и прочих опытах на орбите) – в следующих статьях.
