Międzynarodowe konsorcjum z udziałem naukowców z Wydziału Mechanicznego prowadzi badania nad opracowaniem technologii druku 3D z metalu umożliwiającej m.in. tworzenie części zamiennych na orbicie.

Projekt „Laser metal wire deposition in absence of gravity (Lamda-g)” jest realizowany w ramach konkursu Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), a pracami na Politechnice Wrocławskiej kieruje dr inż. Paweł Widomski z Katedry Obróbki Plastycznej, Spawalnictwa i Metrologii. W skład zespołu wchodzą również prof. Zbigniew Gronostajski, dr hab. inż. Marcin Winnicki, prof. uczelni i dr hab. inż. Marcin Kaszuba, prof. uczelni (wszyscy z Wydziału Mechanicznego).

Druk 3D w kosmosie?

Technologia druku przestrzennego, popularnie nazywanego drukiem 3D, rozwija się coraz dynamiczniej, a wraz ze wzrostem precyzji i rozszerzaniem zakresu używanych materiałów znalazła zastosowanie choćby w medycynie i wielu gałęziach przemysłu.

Do druku 3D używa się najczęściej tworzyw sztucznych, ale bardziej zaawansowane drukarki wykorzystują również żywice, gumy czy metale. Zwłaszcza te ostatnie mogą znaleźć szerokie zastosowanie w branży kosmicznej.

– Przez wiele lat druk 3D z metalu kojarzył się głównie z technologiami proszkowymi, które choć precyzyjne, mają istotne ograniczenia. Proszek metaliczny jest nie tylko kosztowny, ale jego użycie wymaga szczelnie zamkniętych komór, co znacząco ogranicza rozmiar projektowanych elementów – mówi dr Widomski. – Używanie proszków metali w stanie nieważkości stwarza również ogromne problemy techniczne. Dlatego właśnie w naszym projekcie chcemy wykorzystać inną technologię opartą na laserowym topieniu litego drutu (ang. Laser Metal Wire Deposition) – dodaje.

Dlaczego drut wygrywa z proszkiem?

Przewaga drutu nad proszkiem jest widoczna przede wszystkim w wydajności procesu. Tradycyjne metody proszkowe pozwalają na przyrost materiału rzędu jednego kilograma na godzinę, co przy dużych konstrukcjach jest niezwykle czasochłonne. Tymczasem rozwiązanie wykorzystujące technologię topienia drutu pozwala osiągnąć wynik kilku, a nawet kilkunastu kilogramów na godzinę, co umożliwia szybkie wytwarzanie dużych obiektów.

– Początki technologii druku metali przez łukowe topienie drutu sięgają lat 90. i wywodzą się z Cranfield University w Wielkiej Brytanii. W ostatnich latach rozwija się laserowe topienie drutu, które pozwala na stosunkowo dobrą kontrolę procesu osadzania metali przy wysokiej wydajności. Dzięki tej technologii w roku 2024 dr Wojciech Suder z tej samej uczelni stworzył pierwszą drukarkę 3D, która z powodzeniem drukowała pierwsze próbki na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Nawiązałem współpracę z dr. Suderem i zdecydowaliśmy się na napisanie wniosku w ogłoszonym przez ESA konkursie, by dalej rozwijać ten pomysł – wyjaśnia naukowiec z W10.

Technologia, która musi pokonać brak grawitacji

Kluczowym aspektem w przygotowaniu projektu był wybór odpowiedniego źródła ciepła do topienia metalu. Wśród trzech najpopularniejszych metod wykorzystujących łuk spawalniczy, plazmę i laser, to właśnie ta ostatnia technika okazała się najbardziej obiecująca.

Laserowe topienie drutu pozwala bowiem na niesamowitą kontrolę nad energią i formowaniem tzw. jeziorka spawalniczego (miejsca, w którym topi się podłoże oraz osadzany z drutu dodatkowy materiał). Dzięki zastosowaniu głowic typu coaxial (z układem wielu laserów o niskiej mocy), drut jest topiony precyzyjnie w samym jeziorku, co zapobiega jego rozpryskiwaniu się i pozwala na stabilne nadbudowywanie kolejnych warstw, nawet gdy brakuje grawitacji, która na Ziemi pomaga układać płynny metal.

– Fizyka całego procesu w stanie nieważkości różni się znacząco od tej ziemskiej. Bez grawitacji zmienia się sposób osadzania, ponieważ kropla może nam „uciekać”, o ile nie będzie wystarczającej lepkości. Inaczej przebiegać będzie chłodzenie materiału i jego krystalizacja, co może prowadzić do powstawania naprężeń, pęknięć lub błędów w strukturze metalu. Musimy więc przewidzieć, jak zachowa się ciekły metal, by uniknąć sytuacji, w której energia będzie zbyt niska, by stopić drut, lub zbyt wysoka, co prowadzi do jego rozpływania i zniekształcenia wyrobu. Dlatego konieczne są kilkuetapowe testy – od symulacji laboratoryjnych, przez sprawdzanie niezawodności systemów, aż po loty paraboliczne – tłumaczy dr Widomski.

Ogromnym wyzwaniem będzie również konieczność miniaturyzacji całego urządzenia, bo należy pamiętać, że wyniesienie na orbitę każdego kilograma ładunku jest niezwykle kosztowne. Naukowiec zakłada, że maszyna nie powinna być większa niż klasyczna kuchenka mikrofalowa. Musi być też na tyle wytrzymała, żeby przetrwać ogromne przeciążenia towarzyszące startowi rakiety.

– Co ciekawe, na stacjach kosmicznych takich jak ISS są ograniczone możliwości korzystania z energii elektrycznej. To dlatego całe urządzenie musi pracować przy mocy około 1 kilowata, co można porównać do zużycia prądu przez niewielki czajnik elektryczny. W tym limicie musi się zmieścić praca lasera topiącego metal, systemy chłodzenia, komputery sterujące oraz mechanizmy pozycjonujące – podkreśla dr Widomski. – Zależy nam, żeby dzięki urządzeniu można było drukować bardzo złożone kształty, dzięki temu możliwe będzie szybkie wytwarzanie choćby części zamiennych, co w warunkach działania stacji kosmicznej ma kluczowe znaczenie – dodaje.

Międzynarodowy projekt i testy w kosmosie

Projekt Lamda-g będzie realizowany przez konsorcjum, w skład którego wchodzą Uniwersytet w Manchesterze (lider, Wielka Brytania), Uniwersytet w Cranfield (Wielka Brytania), Uniwersytet w Dublinie (Irlandia), Instytut Fizyki Materiałów w Kosmosie w Kolonii (Niemcy) oraz Politechnika Wrocławska. Nasi naukowcy będą zaangażowani w opracowanie systemu druku 3D, analizę mikrostruktury i właściwości wydruków oraz precyzyjny dobór parametrów, które zagwarantują najwyższą jakość i bezpieczeństwo druku w kosmosie.

Drukarka będzie testowana podczas lotów parabolicznych w rakietach suborbitalnych typu Maxus, które są wykorzystywane w programie badań mikrograwitacyjnych. Są one wystrzeliwane ze szwedzkiego ośrodka Esrange Space Center w Kirunie i umożliwiają prowadzenie eksperymentów w warunkach mikrograwitacji przez około 15 minut.

– Planujemy być na miejscu, by nadzorować przygotowania i natychmiast po wylądowaniu przejąć próbki do szczegółowych analiz mikrostrukturalnych. Wyniki tych testów pozwolą na ostateczną kalibrację systemu, który docelowo ma być w pełni bezobsługowy. Astronauta, niebędący specjalistą od spawalnictwa, musi otrzymać urządzenie typu „plug and play”, które wykona zadanie po naciśnięciu jednego przycisku – zapowiada dr Widomski. – Eksperyment będzie szansą, by zweryfikować model zachowania się osadzanych kropli metalu podczas druku. Jeśli nauczymy się modelować te zjawiska, będziemy w stanie kontrolować później procesy druku w misjach pozaziemskich oraz na stacjach kosmicznych – dodaje.

Wrocław kluczowym ośrodkiem druku 3D?

Na PWr od lat prowadzone są badania druku 3D metodami topienia proszków w zespole założonym przez prof. Edwarda Chlebusa. Równolegle zespół kierowany przez prof. Gronostajskiego bada zagadnienia druku z wykorzystaniem topienia drutu litego energią łuku spawalniczego i energią laserów. Dzięki temu Wydział Mechaniczny stanowi wyjątkowy ośrodek badań w zakresie druku 3D, wiodący w skali kraju i ceniony za granicą. Zespół realizuje też kilka podobnych projektów wykorzystujących druk 3D do produkcji bardzo dużych detali takich jak narzędzia kuźnicze, formy odlewnicze, matryce do wyciskania czy nawet formy do produkcji wanien lub śruby do napędów okrętowych.

Wraz z projektem dla ESA dr Widomski planuje pozyskanie kolejnego grantu, tym razem z Narodowego Centrum Nauki, na badania związane z drukiem ze stopów tytanu w warunkach mikrograwitacji. Trwają też badania nad unikalną metodą laserowego spiekania proszków metali w warunkach braku grawitacji, która będzie przedmiotem wspólnego projektu z University of Twente (Holandia) i Instytutu Fraunhofera IPT w Aachen (Niemcy). Nasi badacze liczą, że realizacja tych projektów pozwoli na zbudowanie na Politechnice Wrocławskiej silnego ośrodka badań nad drukiem 3D w kosmosie.

– Zainteresowanie technologiami przyrostowymi ze strony studentów jest ogromne, a to pozwala mieć nadzieję na zbudowanie w przyszłości silnego zespołu badawczego. Opracowywane przez nas rozwiązania mogą też znaleźć zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym czy zbrojeniowym, który silnie rozwija się w naszym regionie – zaznacza naukowiec.

Zakończenie projektu Lamda-g planowane jest na rok 2029.

mic