3D-печать в космосе: трансформация плоских заготовок в изогнутые структуры

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн представили инновационный метод 3D-печати, позволяющий трансформировать плоские структуры в изогнутые трехмерные объекты непосредственно в космосе. Это решение призвано снизить затраты на запуск крупногабаритных конструкций, таких как спутниковые антенны, в космос.

Аспирант Иван Ву и его научный руководитель Джефф Баур разработали энергоэффективный подход, который отличает их от предыдущих попыток, часто приводивших к недостаточно жестким формам. Их исследование, опубликованное в журнале Additive Manufacturing, фокусируется на использовании быстрого формования программируемых морфогенных композитов с помощью аддитивного производства и фронтальной полимеризации.

Суть метода

Ключевым элементом является использование специальной смолы, разработанной в Бекмановском институте. Эта смола обладает высокой энергоэффективностью при активации. В сочетании с 3D-принтером, способным создавать композитные структуры аэрокосмического класса, эта комбинация стала прорывом. Принтер печатает пучки углеродного волокна, диаметр которых сравним с человеческим волосом. В процессе печати волокна сжимаются и подвергаются частичной полимеризации под воздействием ультрафиолетового света.

Затем этот дизайн из углеродного волокна формуется с использованием энергоэффективной жидкой смолы и замораживается. Для активации процесса трансформации формы в космосе достаточно низкоэнергетического теплового стимула. Это запускает химическую реакцию, в результате которой смола отверждается, придавая структуре заданную изогнутую 3D-форму. Этот процесс, называемый фронтальной полимеризацией, устраняет необходимость в громоздких печах или автоклавах.

Решение обратной задачи

Основной проблемой для Ивана Ву было решение обратной задачи: определение необходимого 2D-шаблона печати для получения желаемой 3D-формы. Им были разработаны математические уравнения, позволяющие точно программировать принтер для создания пяти различных конфигураций: спирального цилиндра, скрученной полосы, конуса, седла и параболической антенны. Особое внимание уделено параболической антенне, имитирующей форму, необходимую для развертываемых спутников.

Вдохновение и технические вызовы

Вдохновением для Ву послужила японская техника киригами, сочетающая складывание и разрезание. Он применил этот подход для создания плоского шаблона, который затем трансформируется в гладкую изогнутую поверхность. В отличие от оригами, где для достижения гладкости потребовалось бы бесконечное количество складок, метод Ву позволяет получить нужную кривизну за счет контролируемого изгиба, управляемого структурой волокон.

Для обеспечения возможности трансформации формы, инфраструктура волокон должна иметь низкую объемную долю. Это делает структуру гибкой, но недостаточно жесткой для прямого использования в космосе. Исследователи предлагают использовать полученные 3D-формы в качестве форм для последующего изготовления высокожестких конструкций. После печати плоского материала на Земле, его можно транспортировать в космос, активировать для придания формы, а затем использовать эту форму как шаблон для создания более прочных композитов. Этот процесс может быть многократно повторен без повреждения формы.

Разработанные материалы и процессы также могут быть применены для снабжения удаленных регионов на Земле.