Desde el siglo XX, la raza humana ha estado fascinada con la exploración del espacio y la comprensión de lo que hay más allá de la Tierra.Grandes organizaciones como la NASA y la ESA han estado a la vanguardia de la exploración espacial, y otro actor importante en esta conquista es la impresión 3D.Con la capacidad de producir rápidamente piezas complejas a bajo costo, esta tecnología de diseño se está volviendo cada vez más popular en las empresas.Hace posible la creación de muchas aplicaciones, como satélites, trajes espaciales y componentes de cohetes.De hecho, según SmarTech, se espera que el valor de mercado de la fabricación aditiva de la industria espacial privada alcance los 2100 millones de euros para 2026. Esto plantea la pregunta: ¿Cómo puede la impresión 3D ayudar a los humanos a sobresalir en el espacio?
Inicialmente, la impresión 3D se utilizó principalmente para la creación rápida de prototipos en las industrias médica, automotriz y aeroespacial.Sin embargo, a medida que la tecnología se generaliza, se utiliza cada vez más para componentes de uso final.La tecnología de fabricación aditiva de metales, particularmente L-PBF, ha permitido la producción de una variedad de metales con características y durabilidad adecuadas para condiciones espaciales extremas.Otras tecnologías de impresión 3D, como DED, inyección de aglomerante y proceso de extrusión, también se utilizan en la fabricación de componentes aeroespaciales.En los últimos años, han surgido nuevos modelos comerciales, con empresas como Made in Space y Relativity Space que utilizan tecnología de impresión 3D para diseñar componentes aeroespaciales.
Relativity Space desarrolla una impresora 3D para la industria aeroespacial
Tecnología de impresión 3D en la industria aeroespacial
Ahora que los hemos presentado, echemos un vistazo más de cerca a las diversas tecnologías de impresión 3D utilizadas en la industria aeroespacial.En primer lugar, cabe señalar que la fabricación aditiva de metales, especialmente L-PBF, es la más utilizada en este campo.Este proceso implica el uso de energía láser para fusionar polvo metálico capa por capa.Es especialmente adecuado para producir piezas pequeñas, complejas, precisas y personalizadas.Los fabricantes aeroespaciales también pueden beneficiarse de DED, que consiste en depositar alambre o polvo de metal y se utiliza principalmente para reparar, recubrir o producir piezas metálicas o cerámicas personalizadas.
Por el contrario, el chorro de aglutinante, aunque ventajoso en términos de velocidad de producción y bajo costo, no es adecuado para producir piezas mecánicas de alto rendimiento porque requiere pasos de fortalecimiento posteriores al procesamiento que aumentan el tiempo de fabricación del producto final.La tecnología de extrusión también es eficaz en el entorno espacial.Cabe señalar que no todos los polímeros son adecuados para su uso en el espacio, pero los plásticos de alto rendimiento como el PEEK pueden reemplazar algunas piezas metálicas debido a su resistencia.Sin embargo, este proceso de impresión 3D aún no está muy extendido, pero puede convertirse en un activo valioso para la exploración espacial mediante el uso de nuevos materiales.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) es una tecnología ampliamente utilizada en la impresión 3D para la industria aeroespacial.
Potencial de los materiales espaciales
La industria aeroespacial ha estado explorando nuevos materiales a través de la impresión 3D, proponiendo alternativas innovadoras que pueden perturbar el mercado.Si bien los metales como el titanio, el aluminio y las aleaciones de níquel-cromo siempre han sido el foco principal, un nuevo material pronto puede robar el centro de atención: el regolito lunar.El regolito lunar es una capa de polvo que cubre la luna y la ESA ha demostrado los beneficios de combinarlo con la impresión 3D.Advenit Makaya, ingeniero senior de fabricación de la ESA, describe el regolito lunar como similar al hormigón, compuesto principalmente de silicio y otros elementos químicos como hierro, magnesio, aluminio y oxígeno.La ESA se ha asociado con Lithoz para producir pequeñas piezas funcionales, como tornillos y engranajes, utilizando regolito lunar simulado con propiedades similares al polvo lunar real.
La mayoría de los procesos involucrados en la fabricación de regolito lunar utilizan calor, lo que lo hace compatible con tecnologías como SLS y soluciones de impresión de unión en polvo.La ESA también utiliza la tecnología D-Shape con el objetivo de producir piezas sólidas mezclando cloruro de magnesio con materiales y combinándolo con el óxido de magnesio que se encuentra en la muestra simulada.Una de las ventajas significativas de este material lunar es su resolución de impresión más fina, lo que le permite producir piezas con la máxima precisión.Esta característica podría convertirse en el activo principal para expandir la gama de aplicaciones y componentes de fabricación para futuras bases lunares.
El regolito lunar está en todas partes
También está el regolito marciano, que se refiere al material del subsuelo que se encuentra en Marte.Actualmente, las agencias espaciales internacionales no pueden recuperar este material, pero esto no ha impedido que los científicos investiguen su potencial en determinados proyectos aeroespaciales.Los investigadores están utilizando especímenes simulados de este material y lo están combinando con una aleación de titanio para producir herramientas o componentes de cohetes.Los resultados iniciales indican que este material proporcionará una mayor resistencia y protegerá los equipos contra la oxidación y los daños por radiación.Aunque estos dos materiales tienen propiedades similares, el regolito lunar sigue siendo el material más probado.Otra ventaja es que estos materiales se pueden fabricar in situ sin necesidad de transportar materias primas desde la Tierra.Además, el regolito es una fuente de material inagotable, lo que ayuda a prevenir la escasez.
Las aplicaciones de la tecnología de impresión 3D en la industria aeroespacial
Las aplicaciones de la tecnología de impresión 3D en la industria aeroespacial pueden variar según el proceso específico utilizado.Por ejemplo, la fusión de lecho de polvo por láser (L-PBF) se puede utilizar para fabricar piezas complejas a corto plazo, como sistemas de herramientas o repuestos espaciales.Launcher, una startup con sede en California, utilizó la tecnología de impresión 3D de zafiro-metal de Velo3D para mejorar su motor de cohete líquido E-2.El proceso del fabricante se utilizó para crear la turbina de inducción, que desempeña un papel crucial en la aceleración y conducción de LOX (oxígeno líquido) en la cámara de combustión.La turbina y el sensor se imprimieron con tecnología de impresión 3D y luego se ensamblaron.Este innovador componente dota al cohete de mayor fluidez y empuje, convirtiéndolo en una parte esencial del motor.
Velo3D contribuyó al uso de la tecnología PBF en la fabricación del motor de cohete líquido E-2.
La fabricación aditiva tiene amplias aplicaciones, incluida la producción de estructuras pequeñas y grandes.Por ejemplo, las tecnologías de impresión 3D, como la solución Stargate de Relativity Space, se pueden utilizar para fabricar piezas grandes, como tanques de combustible para cohetes y palas de hélice.Relativity Space ha demostrado esto a través de la producción exitosa del Terran 1, un cohete impreso casi en su totalidad en 3D, que incluye un tanque de combustible de varios metros de largo.Su primer lanzamiento el 23 de marzo de 2023 demostró la eficiencia y confiabilidad de los procesos de fabricación aditiva.
La tecnología de impresión 3D basada en extrusión también permite la producción de piezas utilizando materiales de alto rendimiento como PEEK.Los componentes hechos de este termoplástico ya se probaron en el espacio y se colocaron en el rover Rashid como parte de la misión lunar de los EAU.El propósito de esta prueba fue evaluar la resistencia de PEEK a condiciones lunares extremas.Si tiene éxito, PEEK puede reemplazar las piezas metálicas en situaciones en las que las piezas metálicas se rompan o los materiales escaseen.Además, las propiedades de peso ligero de PEEK pueden ser valiosas en la exploración espacial.
La tecnología de impresión 3D se puede utilizar para fabricar una variedad de piezas para la industria aeroespacial.
Ventajas de la impresión 3D en la industria aeroespacial
Las ventajas de la impresión 3D en la industria aeroespacial incluyen una apariencia final mejorada de las piezas en comparación con las técnicas de construcción tradicionales.Johannes Homa, director general del fabricante austriaco de impresoras 3D Lithoz, afirmó que "esta tecnología hace que las piezas sean más ligeras".Debido a la libertad de diseño, los productos impresos en 3D son más eficientes y requieren menos recursos.Esto tiene un impacto positivo en el impacto ambiental de la producción de piezas.Relativity Space ha demostrado que la fabricación aditiva puede reducir significativamente la cantidad de componentes necesarios para fabricar naves espaciales.Para el cohete Terran 1, se salvaron 100 piezas.Además, esta tecnología tiene ventajas significativas en la velocidad de producción, ya que el cohete se completa en menos de 60 días.Por el contrario, la fabricación de un cohete con métodos tradicionales podría llevar varios años.
En cuanto a la gestión de recursos, la impresión 3D puede ahorrar materiales y, en algunos casos, incluso permitir el reciclaje de residuos.Finalmente, la fabricación aditiva puede convertirse en un activo valioso para reducir el peso de despegue de los cohetes.El objetivo es maximizar el uso de materiales locales, como el regolito, y minimizar el transporte de materiales dentro de la nave espacial.Esto hace posible llevar solo una impresora 3D, que puede crear todo en el sitio después del viaje.
Made in Space ya ha enviado una de sus impresoras 3D al espacio para realizar pruebas.
Limitaciones de la impresión 3D en el espacio
Aunque la impresión 3D tiene muchas ventajas, la tecnología aún es relativamente nueva y tiene limitaciones.Advenit Makaya afirmó: "Uno de los principales problemas de la fabricación aditiva en la industria aeroespacial es el control y la validación de procesos".Los fabricantes pueden ingresar al laboratorio y probar la resistencia, la confiabilidad y la microestructura de cada pieza antes de la validación, un proceso conocido como prueba no destructiva (NDT).Sin embargo, esto puede llevar mucho tiempo y ser costoso, por lo que el objetivo final es reducir la necesidad de estas pruebas.La NASA estableció recientemente un centro para abordar este problema, centrado en la certificación rápida de componentes metálicos fabricados mediante fabricación aditiva.El centro tiene como objetivo utilizar gemelos digitales para mejorar los modelos informáticos de los productos, lo que ayudará a los ingenieros a comprender mejor el rendimiento y las limitaciones de las piezas, incluida la presión que pueden soportar antes de fracturarse.Al hacerlo, el centro espera ayudar a promover la aplicación de la impresión 3D en la industria aeroespacial, haciéndola más efectiva para competir con las técnicas de fabricación tradicionales.
Estos componentes se han sometido a pruebas exhaustivas de fiabilidad y resistencia.
Por otro lado, el proceso de verificación es diferente si la fabricación se realiza en el espacio.Advenit Makaya de ESA explica: "Existe una técnica que consiste en analizar las piezas durante la impresión".Este método ayuda a determinar qué productos impresos son adecuados y cuáles no.Además, existe un sistema de autocorrección para impresoras 3D destinadas al espacio y está siendo probado en máquinas metálicas.Este sistema puede identificar posibles errores en el proceso de fabricación y modificar automáticamente sus parámetros para corregir cualquier defecto en la pieza.Se espera que estos dos sistemas mejoren la confiabilidad de los productos impresos en el espacio.
Para validar las soluciones de impresión 3D, la NASA y la ESA han establecido estándares.Estos estándares incluyen una serie de pruebas para determinar la confiabilidad de las piezas.Consideran la tecnología de fusión de lecho de polvo y la están actualizando para otros procesos.Sin embargo, muchos actores importantes en la industria de los materiales, como Arkema, BASF, Dupont y Sabic, también brindan esta trazabilidad.
¿Vivir en el espacio?
Con el avance de la tecnología de impresión 3D, hemos visto muchos proyectos exitosos en la Tierra que usan esta tecnología para construir casas.Esto nos hace preguntarnos si este proceso podría usarse en un futuro cercano o lejano para construir estructuras habitables en el espacio.Si bien vivir en el espacio actualmente no es realista, construir casas, particularmente en la luna, puede ser beneficioso para los astronautas en la ejecución de misiones espaciales.El objetivo de la Agencia Espacial Europea (ESA) es construir cúpulas en la luna usando regolito lunar, que se puede usar para construir paredes o ladrillos para proteger a los astronautas de la radiación.Según Advenit Makaya de la ESA, el regolito lunar está compuesto por un 60 % de metal y un 40 % de oxígeno y es un material esencial para la supervivencia de los astronautas porque puede proporcionar una fuente inagotable de oxígeno si se extrae de este material.
La NASA otorgó una subvención de $ 57,2 millones a ICON para desarrollar un sistema de impresión 3D para construir estructuras en la superficie lunar y también está colaborando con la compañía para crear un hábitat Mars Dune Alpha.El objetivo es probar las condiciones de vida en Marte haciendo que los voluntarios vivan en un hábitat durante un año, simulando las condiciones del Planeta Rojo.Estos esfuerzos representan pasos críticos hacia la construcción directa de estructuras impresas en 3D en la Luna y Marte, lo que eventualmente podría allanar el camino para la colonización espacial humana.
En un futuro lejano, estas casas podrían permitir que la vida sobreviva en el espacio.
Hora de publicación: 14-jun-2023