3D-печать в космосе: что печатают на МКС

Первый принтер на МКС: 2014 год

Первый в истории 3D-принтер для космоса, Zero-G, построила компания Made In Space по контракту с NASA. До этого никто не проверял, поведёт ли себя пластик в невесомости так же, как на Земле: слой в принтере ложится на предыдущий отчасти под собственным весом, а в свободном падении веса нет вовсе. Принтер подняли на МКС в сентябре 2014 года, а 17 ноября астронавт Барри Уилмор достал его из упаковки и установил в перчаточный бокс станции. Через неделю, 24 ноября 2014 года, принтер напечатал первую в истории деталь, изготовленную в космосе: собственную крышку для печатающей головки.

В первой партии на орбите напечатали 21 деталь из ABS, точно такие же заготовки заранее напечатали и на Земле тем же принтером и тем же пластиком для сравнения. Образцы вернули на Землю и проверили на прочность и гибкость: невесомость на сам процесс печати заметно не повлияла, а разница между образцами укладывалась в обычный разброс 3D-печати. Это и открыло дорогу более смелым экспериментам.

В декабре 2014 года эксперимент пошёл дальше. Инженеры компании Made In Space спроектировали на Земле храповой гаечный ключ, NASA проверило чертёж на безопасность и отправило файл на орбиту. Уилмор напечатал ключ примерно за четыре часа. Смысл был не в самом ключе, а в доказательстве: инструмент для ремонта можно не везти грузовым кораблём месяцами, а прислать файлом.

От пластика к металлу: цех на МКС взрослеет

Весной 2016 года на станции заработал уже коммерческий принтер, Additive Manufacturing Facility (AMF). Первым материалом снова был ABS, а позже AMF стал первым в мире коммерческим аппаратом, который печатает в космосе сразу тремя пластиками: ABS, HDPE и аэрокосмическим инженерным пластиком PEI/PC, он жёстче и держит более высокую температуру, чем обычный ABS. На AMF печатали и для NASA, и для коммерческих заказчиков вроде производителей спутников.

В феврале 2019 года на станцию добавили Refabricator: аппарат размером с небольшой холодильник объединяет переработку пластика и печать в одном корпусе. Старую или сломанную деталь можно переплавить обратно в нить и напечатать из неё новую. Для долгих экспедиций, где взять новый пластик негде, это важнее самой печати.

Летом 2024 года на МКС напечатали первую в истории металлическую деталь. Принтер Европейского космического агентства и Airbus прибыл на станцию в январе 2024 года, в мае его установили в модуле Columbus, а печатью управляли с Земли. Лазер, по словам агентства примерно в миллион раз мощнее обычной лазерной указки, плавит проволоку из нержавеющей стали слой за слоем. Образцы возвращают на Землю и сравнивают с такими же, напечатанными на земле.

Хронология одной таблицей

Ракеты, которые печатают, а не только точат

Ракета Terran 1 компании Relativity Space стартовала 22 марта 2023 года с мыса Канаверал. На 85% массы она состояла из напечатанных деталей, включая крупные металлические элементы корпуса и баков: их печатали промышленными принтерами вместо сборки из тысяч отдельных заготовок. Первая ступень отработала штатно и прошла участок максимальных аэродинамических нагрузок, а до орбиты ракета не дошла из-за сбоя двигателя второй ступени. Главное было доказано: почти полностью напечатанная конструкция выдерживает настоящий полёт.

У ракеты поменьше, Electron компании Rocket Lab, из металлопорошка печатают большую часть двигателя Rutherford: камеру сгорания, форсуночную головку, насосы и главные топливные клапаны. Основные детали печатают примерно за 24 часа. Необычно устроен и сам турбонасос: вместо газогенератора его крутят электромоторы на батарее, поэтому Rutherford называют первым в мире орбитальным ракетным двигателем с электрическим приводом насосов, собранным по большей части 3D-печатью. Таких двигателей выпущено уже несколько сотен.

У корабля Dragon компании SpaceX двигатели системы аварийного спасения экипажа SuperDraco получают печатную камеру сгорания из жаропрочного сплава инконель: её выращивают из металлического порошка лазером. Камера выдержала больше 80 огневых испытаний, а путь от чертежа до первого огневого испытания занял около трёх месяцев, это в разы быстрее обычной механической обработки такой детали.

В России аддитивные технологии в ракетных двигателях с 2018 года применяет НПО Энергомаш (входит в «Роскосмос»), в том числе для двигателей ракет «Ангара» и «Союз-5». Пример со смесительной головкой двигателя 14Д23 показателен: у обычной детали 220 составных частей, 124 паяных соединения и 62 сварных шва, а напечатанная головка это одна цельная деталь, которую выращивают за 77 часов. По оценке предприятия, это снижает трудоёмкость производства двигателя примерно на 20%.

Печать из лунного грунта: заготовка под будущую базу

В 2013 году Европейское космическое агентство вместе с архитекторами Foster + Partners напечатало из имитатора лунного грунта, реголита, первый строительный блок: грунт смешивали со связующим и укладывали слоями. Внутри блок ячеистый, как птичья кость: держит нагрузку при небольшом весе. Позже агентство спекало реголит сфокусированным солнечным светом слоями по 0,1 мм при температуре около 1000 °C, уже без связующего, а из того же грунта печатали мелкие керамические детали. Идея простая: возить на Луну оборудование дешевле, чем стройматериалы, а стены и детали печатать из грунта под ногами.

Зачем вообще печатают на орбите, а не ждут посылку с Земли

Грузовой корабль летит до МКС от нескольких часов до пары суток, но расписание запусков составляют заранее, а место в трюме дорого и расписано под конкретные грузы. Если на станции ломается непринципиальная деталь, вроде клипсы, держателя или крышки, ждать её неделями или месяцами с Земли невыгодно, поэтому проще напечатать на месте по присланному чертежу. Именно ради этой идеи в 2014 году и печатали храповой ключ: не потому что ключа не было на станции совсем, а чтобы доказать сам принцип «почини сейчас, а не жди корабль».

Тот же принцип работает и на Земле

На Земле логика та же самая, просто с другими сроками ожидания. Сломалась пластиковая деталь, которой нет в продаже: подстаканник редкой модели, крышка от прибора, снятого с производства, кронштейн, который в магазине не найти. Заказывать с завода или искать по разборкам можно неделями, а по обломку или образцу с линейкой деталь моделируется и печатается за один-два дня.

Пластики, из которых печатают на МКС, узнаваемы и на Земле. Тот же ABS (10 ₽/г) стоит у нас на полке, вместе с более прочными родственниками: поликарбонатом (40 ₽/г) для нагруженных и горячих узлов и нейлоном (50 ₽/г) для шестерён и втулок, тех же классов пластика, что применяют в деталях, которым не положено ломаться в невесомости. Добавляем ещё PETG, ASA для уличных деталей и гибкий TPU. Разбор возможностей есть на странице 3D-печать запчастей на заказ.

На МКС файл детали шёл от чертежа до готовой вещи несколько дней с учётом согласований. У нас без бюрократии быстрее: по готовой 3D-модели деталь печатается за 1-2 дня, если нужно снять размеры с образца, срок 2-3 дня. Мелочь вроде клипс и заглушек часто уходит за день. Пришлите фото обломков или образца рядом с линейкой, отправим СДЭК по всей России, по Петербургу есть курьер и самовывоз.