چاپگر سه‌بعدی، دستگاهی جذاب برای تولید اشیای سه بعدی از مدل‌های سه بعدی و یا داده‌های الکترونیکی است. این روبات صنعتی از طریق فرآیندهای افزایشی و لایه به لایه، تحت کنترل کامپیوتر کار می‌کند.

چاپگرهای سه‌بعدی از سال 1982 معرفی شدند و تا کنون پیشرفت‌های بسیار زیادی داشته اند. این دستگاه های دوست داشتنی در سال‌های اخیر نیز جای خود را در صنایع فضایی باز کرده و پروژه‌های بسیاری در حوزه فضایی به استفاده از این فناوری روی آورده‌اند. به طوری که شاهد استفاده از آنها برای تولید قطعات نهایی همچون موتورهای موشک هستیم. قابلیت‌های این فناوری فراتر از این هم رفته است تا حدی که چند نمونه از این چاپگرها به ایستگاه بین‌المللی فضایی ارسال شد تا پاسخگوی نیاز فضانوردان به ابزارآلات مورد نظرشان باشد و در آینده‌ای نزدیک بعید به نظر نمی‌رسند که آنها حتی غذای خود را چاپ کنند.

استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی در فناوری فضایی

استفاده از فناوری چاپ سه بعدی با هدف کاهش هزینه و بهبود اکتشافات فضایی است. توسعه پیوسته این فناوری نیز، تمایل به استفاده از آن را بیشتر کرده است. علاوه بر بحث تولید قطعات در زمین، از سال 2010 کار روی چاپگرهای سه بعدی در فضای با جاذبه صفر و کم جاذبه علنی شد و پروژه‌های بسیاری در این زمینه در حال انجام است.

در سال 2013  از چاپگر سه بعدی برای تولید بخش مهمی از موتور موشک استفاده شد. در این سال موتور موشکی که ساخته شد که دو انژکتور آن چاپ سه‌بعدی شده بود. این قطعات طی تست‌ها با موفقیت توانستند، دمای حدود 6 هزار درجه و فشار بسیار بالا را تحمل کنند.

در سال 2014 نیز فضاپیمای اسپیس-ایکس (spaceX)، به اولین پروژه عملیاتی در این زمینه تبدیل شد. در این موتور بخش اصلی اکسیدایزرهای یکی از 9 موتور موشک پرتابگر این فضاپیما، با تکنیک چاپ سه بعدی ساخته شده بود.

همچنین در 23 سپتامبر سال جاری (2014) نیز ناسا، چاپگرهایی سه بعدی را به ایستگاه بین‌المللی فضایی فرستاد. با این هدف که با کمک آن‌ها، قطعات یدکی و ابزارآلات لازم برای تعمیر و نگهداری ساخته شود، به این ترتیب فضانوردان دیگر مجبور نخواهند شد که بار زیادی از قطعات را با خود حمل کنند و یا به طور مرتب محموله‌هایی از زمین دریافت کنند و تنها در صورت لزوم، آن قطعه را خواهند ساخت.

در سال 2014 همچنین چاپگرهای سه بعدی روبه‌سوی تولید ساختار مکانیکی کامل و مخازن سوخت برای فضاپیماهای کوچک آوردند.

موتورهایی که چاپ می‌شوند

توانایی چاپ (سه‌بعدی) اجزای پیچیده، کلید دست‌یابی به اجزای سبکتر و بادوام برای موتورهاست.  موتورها تقریبا پیچیده‌اند و شکل دادن تمام کانال‌های خنک کننده، سر انژکتورها، مکانیزم سوپاپ‌ها و بسیاری قطعات دیگر کار نسبتا دشواری است. توانایی و پیشرفت‌های فناوری چاپگرهای سه‌بعدی خصوصا با استفاده از آلیاژها امکان تولیداتی همچون موتور سوپردراکن را فراهم آورده است.

چاپ مریخ‌نوردها

مهندسان ناسا از فناوری چاپ سه بعدی برای ساخت نسل آینده مریخ‌نوردها استفاده کرده اند. هدف از ساخت این ماشین‌ها محافظت از فضانوردان و مسافران آینده سیاره سرخ و سهولت اکتشافات فضایی است. این روبات‌ها کابین‌هایی دارند که می‌تواند دو فضانورد را برای چند روز در مطالعه سطوح فرازمینی همراهی کند. این ماشین‌ها دورازده چرخ سخت وآزاد در شش محور دارند که برای حرکت در سطوح ناهموار و غیر قابل اطمینان مناسب هستند. کابین آن‌ها نیز می‌تواند به سمت پایین شیب بگیرد.

برای طراحی وسایل محکم و تخصصی این چنینی، دانشمندان ناسا از کمی نبوغ به همراه تکنولوژی پیشرفته استفاده کرده‌اند و حدود 70 قطعه از این روبات‌ها، به طور مستقیم پس از طراحی کامپیوتری، از محفظه چاپگرهای سه‌بعدی حاصل شدند. فرآیندی که FDM نام دارد و اشکال پیچیده و  بادوامی را حتی برای سفر در سطح مریخ فراهم می‌کند.

استفاده از پرینترها تنها به مرجله پایانی و ساخت محدود نیست و کاربرد عمده آن در طی انجام پروژه است مهندسان ناسا با همین تکنولوژی، نمونه‌هایی را برای تست قالب کلی، بررسی تناسب اجزا و تست عملکرد، ساختند. این تست‌ها طرح کلی ماشین را قبل از تولید محصول اصلی با مواد مورد نظر، تضمین می کند. مهندسان ناسا در تلاش برای پر کردن خلا بین نگرانی های جزیی مانند بودجه و تولید هستند.

FDM یعنی تکنولوژی چاپ سه‌بعدی امکان طراحی منعطف و افزایش سرعت مراحل ساخت را بدون هدررفت هزینه‌های هنگفت و غیرضروری فراهم می‌کند.

چاپ غذا برای فضانوردان

سازمان فضایی ناسا با همکاری یک شرکت تگزاسی در حال تحقیق برروی امکان استفاده از پرینترهای سه‌بعدی برای تهیه غذا در اعماق فضا هستند. آنها به دنبال تکنولوژیی هستند که در ماموریتهای اکتشافی طولانی مدت، تولیداتش مطمئن در برابر فاسد شدن، قابل قبول، متنوع و مغذی باشد و حداقل منابع و زمان را به خدمت خود بگیرد. غذاهای کنونی که فضانوردان استفاده می‌کنند، قبل از خروج از زمین با مواد مغذی غنی سازی شده و با شیوه‌های خاص بسته‌بندی می‌شوند. این در حالی است که فضانوردان، خود صورت غذا را انتخاب نخواهند کرد و در طولانی مدت برای حفط سلامتی و عملکرد خود از آنها استفاده می‌کنند.

یک تیم تحقیقاتی در حال توسعه سیستمی برای سفرهای طولانی مدت فرازمینی است. این سیستم دو منبع ذخیره‌سازی ماده دارد که حداکثر عمرمفید را برای مواد تامین ‌کند، بخشی برای مخلوط کردن مقادیر مشخص از مواد اولیه، سیستم چاپ و توزیع که در آن به غذا طعم و بافت داده خواهد شد. این سیستم غذا را سریع و گرم در اختیار افراد قرار می‌دهد. بزرگترین مزیت این تکنولوژی رساندن تولید زباله به صفر است که در ماموریت‌های فضایی بسیار با اهمیت است.

این تیم تحقیقاتی، پیشنهاد ترکیب فناوری‌های چاپ و جوهر افشانی پیشرفته را با علوم تخصصی مواد، برای ایجاد یک سیستم کامل تغذیه‌ای داده است. این سیستم باید متناسب با سفرهای طولانی باشد و نیازهای تغذیه‌ای و سلامت جسمی و روانی فضانوردان را تامین کند.  اجزا و مواد اولیه این غذاها باید شامل درشت مغذی‌ها (نشاسته، پروتئین و چربی) باشدکه در ظروف استریل خشک ذخیره و به طور مستقیم به دستگاه تزریق شود و بعد از تعیین بافت کلی، مقداری ماده جوهر مانند، از عطر و طعم نیز اضافه شود. مواد اولیه شامل درشت مغذی های خالص (بدون طعم) می‌تواند به سرعت و به طور مستقیم توسط پرینتر سه‌بعدی شکل و بافت بگیرد و با افزودن ریز مغذی‌ها و طعم دهنده ها که ها در بسته‌های استریل به شکل مایع و یا محلول نگهداری می‌شوند به خوراکی مطلوب تبدیل شود. در هنگام چاپ نیز این سهم تغذیه‌ای طبق دستورالعمل با آب و روغن مخلوط می‌شود تا  ضایعات وفساد به حداقل برسد.

این پروژه نه تنها برای ذخیره سازی یکنواخت و طولانی مدت، زنده ماندن و تامین مواد مورد نیاز بدن است، بلکه برای تامین نیازهای متغیر رژیم غذایی، تنوع و جلوگیری از خستگی و یکنواخت شدن غذاها برای فضانوردان است.

*عباس خاراباف
منبع: سیناپرس