Sejak abad ke-20, umat manusia telah terpesona dengan eksplorasi ruang angkasa dan pemahaman tentang apa yang ada di luar Bumi. Organisasi-organisasi besar seperti NASA dan ESA telah berada di garis depan eksplorasi ruang angkasa, dan pemain penting lainnya dalam penaklukan ini adalah pencetakan 3D. Dengan kemampuan untuk memproduksi komponen kompleks dengan cepat dan biaya rendah, teknologi desain ini semakin populer di berbagai perusahaan. Teknologi ini memungkinkan terciptanya banyak aplikasi, seperti satelit, pakaian antariksa, dan komponen roket. Bahkan, menurut SmarTech, nilai pasar manufaktur aditif industri ruang angkasa swasta diperkirakan akan mencapai €2,1 miliar pada tahun 2026. Hal ini menimbulkan pertanyaan: Bagaimana pencetakan 3D dapat membantu manusia unggul di ruang angkasa?
Awalnya, pencetakan 3D terutama digunakan untuk pembuatan prototipe cepat di industri medis, otomotif, dan kedirgantaraan. Namun, seiring dengan semakin meluasnya penggunaan teknologi ini, teknologi ini semakin banyak digunakan untuk komponen tujuan akhir. Teknologi manufaktur aditif logam, khususnya L-PBF, telah memungkinkan produksi berbagai logam dengan karakteristik dan daya tahan yang sesuai untuk kondisi ruang angkasa ekstrem. Teknologi pencetakan 3D lainnya, seperti DED, binder jetting, dan proses ekstrusi, juga digunakan dalam pembuatan komponen kedirgantaraan. Dalam beberapa tahun terakhir, model bisnis baru telah muncul, dengan perusahaan seperti Made in Space dan Relativity Space menggunakan teknologi pencetakan 3D untuk mendesain komponen kedirgantaraan.
Relativity Space sedang mengembangkan printer 3D untuk industri kedirgantaraan.
Teknologi pencetakan 3D di bidang kedirgantaraan
Setelah kita memperkenalkan teknologi-teknologi tersebut, mari kita lihat lebih dekat berbagai teknologi pencetakan 3D yang digunakan dalam industri kedirgantaraan. Pertama, perlu dicatat bahwa manufaktur aditif logam, khususnya L-PBF, adalah yang paling banyak digunakan di bidang ini. Proses ini melibatkan penggunaan energi laser untuk melebur bubuk logam lapis demi lapis. Teknologi ini sangat cocok untuk memproduksi komponen kecil, kompleks, presisi, dan sesuai pesanan. Produsen kedirgantaraan juga dapat memanfaatkan DED, yang melibatkan pengendapan kawat atau bubuk logam dan terutama digunakan untuk perbaikan, pelapisan, atau produksi komponen logam atau keramik sesuai pesanan.
Sebaliknya, binder jetting, meskipun menguntungkan dalam hal kecepatan produksi dan biaya rendah, tidak cocok untuk memproduksi komponen mekanik berkinerja tinggi karena memerlukan langkah penguatan pasca-pemrosesan yang meningkatkan waktu pembuatan produk akhir. Teknologi ekstrusi juga efektif di lingkungan luar angkasa. Perlu dicatat bahwa tidak semua polimer cocok untuk digunakan di luar angkasa, tetapi plastik berkinerja tinggi seperti PEEK dapat menggantikan beberapa bagian logam karena kekuatannya. Namun, proses pencetakan 3D ini masih belum begitu luas, tetapi dapat menjadi aset berharga untuk eksplorasi ruang angkasa dengan menggunakan material baru.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) adalah teknologi yang banyak digunakan dalam pencetakan 3D untuk industri kedirgantaraan.
Potensi Material Antariksa
Industri kedirgantaraan telah mengeksplorasi material baru melalui pencetakan 3D, mengusulkan alternatif inovatif yang dapat mengganggu pasar. Meskipun logam seperti titanium, aluminium, dan paduan nikel-kromium selalu menjadi fokus utama, material baru mungkin segera mencuri perhatian: regolit bulan. Regolit bulan adalah lapisan debu yang menutupi bulan, dan ESA telah menunjukkan manfaat menggabungkannya dengan pencetakan 3D. Advenit Makaya, seorang insinyur manufaktur senior ESA, menggambarkan regolit bulan mirip dengan beton, terutama terdiri dari silikon dan unsur kimia lainnya seperti besi, magnesium, aluminium, dan oksigen. ESA telah bermitra dengan Lithoz untuk memproduksi bagian fungsional kecil seperti sekrup dan roda gigi menggunakan regolit bulan simulasi dengan sifat yang mirip dengan debu bulan asli.
Sebagian besar proses yang terlibat dalam pembuatan regolit bulan menggunakan panas, sehingga kompatibel dengan teknologi seperti SLS dan solusi pencetakan ikatan bubuk. ESA juga menggunakan teknologi D-Shape dengan tujuan menghasilkan bagian padat dengan mencampur magnesium klorida dengan material dan menggabungkannya dengan magnesium oksida yang ditemukan dalam spesimen simulasi. Salah satu keunggulan signifikan dari material bulan ini adalah resolusi cetaknya yang lebih halus, memungkinkan untuk menghasilkan bagian dengan presisi tertinggi. Fitur ini dapat menjadi aset utama dalam memperluas jangkauan aplikasi dan pembuatan komponen untuk pangkalan bulan di masa depan.
Regolit Bulan Ada di Mana-mana
Terdapat juga regolit Mars, yang merujuk pada material bawah permukaan yang ditemukan di Mars. Saat ini, badan antariksa internasional belum dapat mengambil material ini, tetapi hal ini tidak menghentikan para ilmuwan untuk meneliti potensinya dalam proyek-proyek kedirgantaraan tertentu. Para peneliti menggunakan spesimen simulasi dari material ini dan menggabungkannya dengan paduan titanium untuk menghasilkan peralatan atau komponen roket. Hasil awal menunjukkan bahwa material ini akan memberikan kekuatan yang lebih tinggi dan melindungi peralatan dari karat dan kerusakan akibat radiasi. Meskipun kedua material ini memiliki sifat yang serupa, regolit bulan tetap menjadi material yang paling banyak diuji. Keuntungan lainnya adalah material ini dapat diproduksi di tempat tanpa perlu mengangkut bahan mentah dari Bumi. Selain itu, regolit merupakan sumber material yang tidak habis-habisnya, sehingga membantu mencegah kelangkaan.
Penerapan teknologi pencetakan 3D dalam industri kedirgantaraan
Penerapan teknologi pencetakan 3D dalam industri kedirgantaraan dapat bervariasi tergantung pada proses spesifik yang digunakan. Misalnya, fusi serbuk laser (L-PBF) dapat digunakan untuk memproduksi komponen jangka pendek yang rumit, seperti sistem perkakas atau suku cadang luar angkasa. Launcher, sebuah perusahaan rintisan yang berbasis di California, menggunakan teknologi pencetakan 3D logam safir Velo3D untuk meningkatkan mesin roket cair E-2-nya. Proses pabrikan tersebut digunakan untuk membuat turbin induksi, yang memainkan peran penting dalam mempercepat dan mendorong LOX (oksigen cair) ke dalam ruang pembakaran. Turbin dan sensor masing-masing dicetak menggunakan teknologi pencetakan 3D dan kemudian dirakit. Komponen inovatif ini memberikan roket aliran fluida yang lebih besar dan daya dorong yang lebih besar, menjadikannya bagian penting dari mesin tersebut.
Velo3D berkontribusi pada penggunaan teknologi PBF dalam pembuatan mesin roket cair E-2.
Manufaktur aditif memiliki aplikasi yang luas, termasuk produksi struktur kecil dan besar. Misalnya, teknologi pencetakan 3D seperti solusi Stargate dari Relativity Space dapat digunakan untuk memproduksi komponen besar seperti tangki bahan bakar roket dan bilah baling-baling. Relativity Space telah membuktikan hal ini melalui keberhasilan produksi Terran 1, sebuah roket yang hampir seluruhnya dicetak 3D, termasuk tangki bahan bakar sepanjang beberapa meter. Peluncuran pertamanya pada 23 Maret 2023, menunjukkan efisiensi dan keandalan proses manufaktur aditif.
Teknologi pencetakan 3D berbasis ekstrusi juga memungkinkan produksi komponen menggunakan material berkinerja tinggi seperti PEEK. Komponen yang terbuat dari termoplastik ini telah diuji di luar angkasa dan ditempatkan pada rover Rashid sebagai bagian dari misi bulan UEA. Tujuan pengujian ini adalah untuk mengevaluasi ketahanan PEEK terhadap kondisi bulan yang ekstrem. Jika berhasil, PEEK mungkin dapat menggantikan komponen logam dalam situasi di mana komponen logam rusak atau material langka. Selain itu, sifat PEEK yang ringan mungkin bermanfaat dalam eksplorasi ruang angkasa.
Teknologi pencetakan 3D dapat digunakan untuk memproduksi berbagai macam komponen untuk industri kedirgantaraan.
Keunggulan pencetakan 3D di industri kedirgantaraan
Keunggulan pencetakan 3D dalam industri kedirgantaraan meliputi peningkatan tampilan akhir komponen dibandingkan dengan teknik konstruksi tradisional. Johannes Homa, CEO produsen printer 3D Austria, Lithoz, menyatakan bahwa "teknologi ini membuat komponen lebih ringan." Karena kebebasan desain, produk yang dicetak 3D lebih efisien dan membutuhkan lebih sedikit sumber daya. Hal ini berdampak positif pada dampak lingkungan dari produksi komponen. Relativity Space telah menunjukkan bahwa manufaktur aditif dapat secara signifikan mengurangi jumlah komponen yang dibutuhkan untuk memproduksi pesawat ruang angkasa. Untuk roket Terran 1, 100 komponen berhasil dihemat. Selain itu, teknologi ini memiliki keunggulan signifikan dalam kecepatan produksi, dengan roket selesai dalam waktu kurang dari 60 hari. Sebaliknya, pembuatan roket menggunakan metode tradisional dapat memakan waktu beberapa tahun.
Terkait pengelolaan sumber daya, pencetakan 3D dapat menghemat material dan, dalam beberapa kasus, bahkan memungkinkan daur ulang limbah. Terakhir, manufaktur aditif dapat menjadi aset berharga untuk mengurangi berat lepas landas roket. Tujuannya adalah untuk memaksimalkan penggunaan material lokal, seperti regolith, dan meminimalkan pengangkutan material di dalam pesawat ruang angkasa. Hal ini memungkinkan untuk hanya membawa printer 3D, yang dapat membuat semuanya di lokasi setelah perjalanan.
Made in Space telah mengirimkan salah satu printer 3D mereka ke luar angkasa untuk pengujian.
Keterbatasan pencetakan 3D di luar angkasa
Meskipun pencetakan 3D memiliki banyak keunggulan, teknologi ini masih relatif baru dan memiliki keterbatasan. Advenit Makaya menyatakan, "Salah satu masalah utama dengan manufaktur aditif di industri kedirgantaraan adalah pengendalian dan validasi proses." Produsen dapat memasuki laboratorium dan menguji kekuatan, keandalan, dan struktur mikro setiap bagian sebelum validasi, sebuah proses yang dikenal sebagai pengujian non-destruktif (NDT). Namun, hal ini dapat memakan waktu dan biaya, sehingga tujuan utamanya adalah untuk mengurangi kebutuhan akan pengujian ini. NASA baru-baru ini mendirikan sebuah pusat untuk mengatasi masalah ini, yang berfokus pada sertifikasi cepat komponen logam yang diproduksi dengan manufaktur aditif. Pusat ini bertujuan untuk menggunakan kembaran digital untuk meningkatkan model komputer produk, yang akan membantu para insinyur lebih memahami kinerja dan keterbatasan komponen, termasuk berapa banyak tekanan yang dapat ditahan sebelum terjadi patahan. Dengan demikian, pusat ini berharap dapat membantu mempromosikan penerapan pencetakan 3D di industri kedirgantaraan, sehingga lebih efektif dalam bersaing dengan teknik manufaktur tradisional.
Komponen-komponen ini telah menjalani pengujian keandalan dan kekuatan yang komprehensif.
Di sisi lain, proses verifikasi berbeda jika manufaktur dilakukan di luar angkasa. Advenit Makaya dari ESA menjelaskan, "Ada teknik yang melibatkan analisis bagian-bagian selama pencetakan." Metode ini membantu menentukan produk cetak mana yang sesuai dan mana yang tidak. Selain itu, ada sistem koreksi otomatis untuk printer 3D yang ditujukan untuk luar angkasa dan sedang diuji pada mesin logam. Sistem ini dapat mengidentifikasi potensi kesalahan dalam proses manufaktur dan secara otomatis memodifikasi parameternya untuk memperbaiki cacat pada bagian tersebut. Kedua sistem ini diharapkan dapat meningkatkan keandalan produk cetak di luar angkasa.
Untuk memvalidasi solusi pencetakan 3D, NASA dan ESA telah menetapkan standar. Standar ini mencakup serangkaian tes untuk menentukan keandalan komponen. Mereka mempertimbangkan teknologi fusi lapisan serbuk dan sedang memperbaruinya untuk proses lain. Namun, banyak pemain utama dalam industri material, seperti Arkema, BASF, Dupont, dan Sabic, juga menyediakan ketertelusuran ini.
Tinggal di luar angkasa?
Dengan kemajuan teknologi pencetakan 3D, kita telah melihat banyak proyek sukses di Bumi yang menggunakan teknologi ini untuk membangun rumah. Hal ini membuat kita bertanya-tanya apakah proses ini mungkin digunakan dalam waktu dekat atau jauh di masa depan untuk membangun struktur yang layak huni di luar angkasa. Meskipun tinggal di luar angkasa saat ini tidak realistis, membangun rumah, khususnya di bulan, dapat bermanfaat bagi astronot dalam menjalankan misi luar angkasa. Tujuan Badan Antariksa Eropa (ESA) adalah membangun kubah di bulan menggunakan regolit bulan, yang dapat digunakan untuk membangun dinding atau batu bata untuk melindungi astronot dari radiasi. Menurut Advenit Makaya dari ESA, regolit bulan terdiri dari sekitar 60% logam dan 40% oksigen dan merupakan material penting untuk kelangsungan hidup astronot karena dapat menyediakan sumber oksigen yang tak terbatas jika diekstrak dari material ini.
NASA telah memberikan hibah sebesar $57,2 juta kepada ICON untuk mengembangkan sistem pencetakan 3D guna membangun struktur di permukaan bulan dan juga berkolaborasi dengan perusahaan tersebut untuk menciptakan habitat Mars Dune Alpha. Tujuannya adalah untuk menguji kondisi kehidupan di Mars dengan meminta sukarelawan tinggal di habitat selama satu tahun, mensimulasikan kondisi di Planet Merah. Upaya-upaya ini merupakan langkah penting menuju pembangunan langsung struktur cetak 3D di bulan dan Mars, yang pada akhirnya dapat membuka jalan bagi kolonisasi ruang angkasa manusia.
Di masa depan yang jauh, rumah-rumah ini dapat memungkinkan kehidupan untuk bertahan di luar angkasa.
Waktu posting: 14 Juni 2023
