Het International Space Station is al meer dan negentien jaar onafgebroken de thuisbasis van astronauten. Astronauten doen wetenschappelijk onderzoek met behulp van tientallen speciale faciliteiten aan boord van het ruimtestation, die hen ook een plek biedt om te eten, slaap, ontspannen en sporten. Om dit allemaal mogelijk te maken, moeten er meer dan 7 worden verzonden, 000 pond reserveonderdelen per jaar naar het station. Nog 29, 000 pond aan reserveonderdelen voor ruimtevluchten zijn opgeslagen aan boord van het station en nog eens 39, 000 op de grond, klaar om te vliegen indien nodig.

Dit logistieke ondersteuningssysteem werkt goed voor een ruimtevaartuig dat 250 mijl boven de aarde draait en gemakkelijk toegankelijk is voor bevoorradingsmissies. Het is niet praktisch voor toekomstige missies naar de maan en Mars, echter. Astronauten op deze lange reizen moeten hun eigen reserveonderdelen kunnen maken, gereedschappen en materialen in wezen op aanvraag - zowel voor routinematige behoeften als om snel aan te passen aan onvoorziene behoeften. In-space manufacturing (ISM) met behulp van 3D-printtechnologie zou een antwoord kunnen zijn.

Het ISM-project van het NASA Marshall Space Flight Center (MSFC) en zijn commerciële partners gebruiken het ruimtestation om verschillende technologieën te testen om deze mogelijkheid te bieden. De op fysica gebaseerde modelleringsgroep van het NASA Ames Research Center biedt aanvullende ondersteuning voor analyse en modellering.

Het project stuurde in 2014 de eerste 3D-printer naar het ruimtestation. Ontwikkeld door Made in Space, deze printer maakte gebruik van een fused filament fabricage (FFF) proces, het voeren van een continue draad van plastic door een verwarmde extruder en op een schaal, laag voor laag, om een ​​driedimensionaal object te creëren. Het 3D Printing in Zero G-onderzoek leverde tientallen onderdelen op, die onderzoekers analyseerden en vergeleken met die op de grond. Uit analyse bleek dat microzwaartekracht geen technisch significante effecten had op het proces, wat aantoont dat een 3D-printer normaal werkt in de ruimte en de weg vrijmaakt voor nieuwe logistieke systemen voor langdurige missies.

"Onze huidige hypothese, gebaseerd op het werk tot nu toe, is dat dit specifieke 3D-printproces niet significant wordt beïnvloed door microzwaartekracht, " zei mede-onderzoeker Tracie Prater, een materiaalingenieur bij MSFC. "Er waren enkele verschillen in de vlieg- en grondmonstersets, die waarschijnlijk te wijten zijn aan de inherente variabiliteit in latere builds die gebruikelijk zijn bij additieve fabricageprocessen. Zoals bij elk proces, het is belangrijk om een ​​goede procesbeheersing te hebben. Het idee met de technologiedemonstratie was om te laten zien dat je dit kunt doen in microzwaartekracht, en de enige manier om dat te testen was in de loop van de tijd op het station."

Made in Space ontwikkelde vervolgens de Additive Manufacturing Facility (AMF), die kan printen met verschillende materialen, inclusief technische kunststoffen. Een tweede onderzoek, AMF-ABS ontwerpwaarden, onderdelen gemaakt met deze printer op het ruimtestation, nogmaals ter vergelijking met die op de grond. "We hebben een aantal exemplaren geprint en zijn bezig met het schrijven van de analyse, "Zei Prater. "We hebben een andere testbenadering gevolgd, kijken naar het effect van filamentopmaak op eigenschappen en consistentie van het onderdeel. Een uitdaging is dat er niet echt harde normen zijn voor het testen van 3D-geprinte materialen, maar verschillende organisaties, inclusief NASA, werken aan testprocedures."

Een van de eerste onderdelen die op het ruimtestation zijn geprint tijdens 3D-printen in Zero G, een moersleutel, toonde aan dat het mogelijk was om op afstand een ontwerp vanaf de grond naar een productiesysteem meer dan 200 mijl hoger te sturen. Naast de testritten, de AMF heeft verschillende functionele items gedrukt, inclusief een antenne deel, een adapter om een ​​sonde in een luchtuitlaat op het zuurstofgeneratiesysteem van het station te houden, en een deel om twee bollen te verbinden, vrij vliegende robots die worden gebruikt voor onderzoek op het ruimtestation.

Het gebruik van gerecycled materiaal voor printergrondstoffen kan toekomstige langdurige verkenningsmissies voorkomen dat ze een grote voorraad materiaal voor 3D-printen moeten vervoeren. Recycling zou ook gebruik kunnen maken van materiaal dat anders hinderlijk zou zijn of een probleem zou zijn met het verwijderen van afval tijdens deze missies. Als een stap in de richting van dat vermogen, het onderzoek van ReFabricator toont technologie aan die is ontwikkeld door Tethers Unlimited om plastic afval te recyclen, inclusief eerder gedrukte items, in hoogwaardig 3D-printerfilament. Het begon zijn operaties op het ruimtestation in februari 2019.

"Dat is een belangrijk onderdeel van het programma, het hergebruiken van materiaal dat u heeft in plaats van meer grondstof op te sturen, ' zei Prater.

Onlangs, de Made in Space Recycler werd gelanceerd naar het ruimtestation voor een onderzoek naar welke materialen het meest effectief zijn voor recycling tot 3D-printfilament en welke meerdere keren kunnen worden gebruikt zonder te verslechteren. Dit onderzoek wordt gefinancierd en gevlogen via ISS National Lab.

Het ISM-project werkt ook aan de ontwikkeling van sterkere kunststoffen en schaalprocessen waarbij metaal wordt gebruikt voor de afmetingen en vermogensbeperkingen van het ruimtestation. "Als je kijkt naar onderdelen die je misschien nodig hebt voor on-demand fabricage van reserveonderdelen tijdens verkenningsmissies, veel zijn van metaal, dus dat is de volgende grote stap, ' zei Prater.

Een andere uitdaging is de inspectie in de baan van onderdelen die in de ruimte zijn gemaakt, ze zei. "Als je een onderdeel gaat gebruiken, je moet weten dat het voldoet aan de vereisten voor het beoogde gebruik."

uiteindelijk, ISM is van cruciaal belang voor toekomstige verkenningsmissies, en het testen van deze productiesystemen op het ruimtestation effent de weg om die missies onafhankelijker van de aarde te laten zijn. Met de vele commerciële partners van het project, het vertegenwoordigt ook een belangrijk aspect van NASA's commercialiseringsinitiatieven in een lage baan om de aarde. Om nog maar te zwijgen van het vrijmaken van alle ruimte die voorheen werd gebruikt om reserveonderdelen op te slaan.