Европейское космическое агентство спонсирует разработку собственного космического 3D-принтера

Нет ничего лучше для прогресса, чем толика конкуренции. Это касается и внедрения 3D-печати в космические программы. Наряду с аддитивным производством компонентов для космических аппаратов и ракет-носителей, ведутся работы по созданию орбитальных печатающих установок. После первого удачного эксперимента, проведенного NASA, о своих планах по внедрению космической печати заявили китайцы, причем планах весьма амбициозных. Китайские исследователи заявили о создании орбитального принтера для печати металлами.

Профессор Рокко Лупуа (слева) с коллегами: Шоном МакФадденом (в центре) и Энтони Робинсоном (справа)

Однако, несмотря на громкие заявления, никто пока не видел демонстрацию работы этого устройства. Справедливости ради заметим, что Поднебесная любит доставлять сюрпризы. Теперь же за космическую печать взялось Европейское космическое агентство: исследователи из Тринити-колледжа Дублина, одного из самых престижных высших учебных заведений Ирландии, получили толстый чек в полмиллиона евро на разработку собственного метода космической печати. Судя по всему, разработчики намереваются пойти путем, отличным от выбора американских и китайских коллег.

Метод, выбранный ирландскими специалистами, давно используется на Земле. Технология холодного газодинамического напыления была разработана в СССР еще в 80-х годах прошлого века. В настоящее время метод используется для ремонта металлических изделий, хотя широкого распространения он так и не получил ввиду высокой стоимости. Суть технологии достаточно проста.

Две части детали, соединенные вместе газодинамическим напылением

Установка наносит мелкие частицы металла на субстрат и на готовые слои. Изюминка состоит в высокой скорости: как правило, она достигает двойной скорости звука. В результате столкновения частиц с нанесенным материалом происходит преобразование кинетической энергии в тепловую, а также пластическая деформация. Таким образом, напыляемые частицы формируют плотный слой, «сплавленный» с уже нанесенным металлом.

Несмотря на то, что метод построен на наплавлении за счет преобразования энергии, рабочая температура в камере практически не превышает комнатную. Этот момент очень важен, ибо быстрое охлаждение нанесенного материала препятствует образованию деформаций. Кроме того, имеется возможность изменять плотность наносимых слоев на лету. Поясняет руководитель проекта, профессор Рокко Лупуа: «Части изделия могут обладать отличающимися характеристиками ввиду различной плотности и использования разных сплавов в пределах одной модели. Благодаря этой технологии имеется возможность создания любых геометрических форм из смеси нескольких материалов».

Метод не только гибок, но и весьма экологичен, так как технология не требует использования токсичных материалов. Единственное стороннее вещество, требуемое для осуществления процесса, это гелий. Тому есть две причины: во-первых, гелий инертен, что позволяет работать с металлами и сплавами, уязвимыми к оксидации. Во-вторых, гелий является легким газом, позволяющим разгонять частицы металла до сверхзвуковых скоростей без серьезного аэродинамического сопротивления.

Пример использования холодного газодинамического напыления для повышения прочности детали

Рассказывает профессор Лупуа: «Холодное газодинамическое напыление чем-то напоминает покраску с помощью пульверизатора. Слой за слоем надстраиваются до получения готовой модели, но делается это очень быстро. Сначала мы разгоняем газ до сверхзвуковой скорости, а затем добавляем в поток частицы металла. При столкновении, частицы буквально вплавляются в поверхность изготовляемой модели. Скорость же построения настолько высока, что мы можем нанести несколько миллиметров материала в считанные секунды. Другими словами, этот метод потенциально в тысячи раз более производителен, чем другие технологии 3D-печати».

Но на каждую бочку меда всегда найдется ложка дегтя. Хотя эта технология стара, испытана и обладает прекрасным потенциалом для использования в аддитивном производстве, ее применение на сегодняшний день ограничено из-за высокой стоимости гелия. Но гелий просто необходим для достижения высоких скоростей. Кроме того, технология ранее не использовалась для высокоточного производства, требуемого космической отраслью. Да, метод работает, но пока он очень дорог. По оценке Лупуа, полноценная печать сложного изделия вполне может влететь в миллион евро.

Таким образом, главной целью проекта по внедрению холодного газодинамического напыления в качестве метода 3D-печати будет именно снижение стоимости производства. Разработчикам придется преодолеть немало трудностей, но в случае успеха мы можем получить 3D-печатный метод принципиально нового уровня. И если необходимость подобной технологии в космосе пока остается академическим вопросом, то на Земле она будет встречена с отрытыми руками.