Инженеры создали на 3D-принтере плоские листы, которые превращаются в изогнутые конструкции для спутников прямо в космосе
Инженеры из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн разработали инновационную технологию, позволяющую создавать плоские детали, которые после выхода на орбиту самостоятельно превращаются в сложные криволинейные конструкции для спутников. Новая методика решает проблему дорогостоящего запуска крупных и громоздких структур в космос, поскольку вместо них можно отправлять компактные и легкие листовые заготовки.
Основой разработки стало сочетание трехмерной печати и фронтальной полимеризации — химического процесса, инициируемого теплом. Исследовательскую группу возглавил аспирант факультета аэрокосмической техники Иван Ву и его научный руководитель Джефф Баур. Как пояснил Ву, предыдущие низкоэнергетические подходы не позволяли получать конструкции достаточной жесткости для аэрокосмической отрасли. Прорывом стало объединение двух элементов: высокоэффективной рецептуры чистой смолы, разработанной сотрудниками Института Бекмана, и возможностей 3D-принтера, способного печатать композитные структуры аэрокосмического класса.
Для создания структур инженеры использовали принтер, который послойно наносит тонкие, с человеческий волос, нити непрерывного углеродного волокна. Каждый слой частично отверждался ультрафиолетовым светом. После печати конструкция замораживалась вместе с жидкой смолой, а ее окончательное преобразование активировалось позже небольшим тепловым импульсом, без необходимости использования крупных автоклавов или печей. Ключевую роль играет фронтальная полимеризация — самоподдерживающаяся реакция, которая заставляет плоский лист изгибаться в заданную объемную форму. Важным преимуществом является масштабируемость процесса: как объяснил Ву, небольшого теплового импульса, подобного искре, достаточно для активации структуры любого размера.
Для решения так называемой «обратной задачи» — вычисления, какой именно двумерный узор необходимо напечатать, чтобы получить желаемую трехмерную форму — исследователи использовали математические уравнения. Ву запрограммировал паттерны печати для создания пяти конфигураций: спирального цилиндра, скрученной полосы, конуса, седловидной поверхности и параболической тарелки, наиболее практичной для спутниковых антенн. На создание последней его вдохновило японское искусство киригами, предполагающее не только сгибание, но и разрезание бумаги. Параболическая тарелка была получена из плоского листа с лепестковыми разрезами, которые в процессе активации изогнулись, формируя гладкую поверхность, необходимую для приема и передачи спутниковых сигналов.
Несмотря на то, что достигнутые показатели жесткости и энергоэффективности превосходят результаты предыдущих работ, Ву отметил, что для реального применения в космосе конструкции потребуют дополнительного усиления. Перспективным решением может стать использование полученных объемных форм в качестве опалубки для изготовления сверхжестких структур уже в космическом пространстве. Потенциал технологии не ограничивается космосом; аналогичный процесс может быть применен для строительства инфраструктуры в удаленных районах на Земле.
Научная работа была в журнале Additive Manufacturing.