Mô phỏng kỹ thuật thúc đẩy công nghệ sản xuất đắp dần (in 3D) tên lửa

  • 2019-09-27 ---

    •    Relativity Space được thành lập vào năm 2015 với một tầm nhìn độc đáo đó là tận dụng công nghệ sản xuất đắp dần để tạo ra các tên lửa in 3D có thể được phóng lên vũ trụ.

       Công ty khởi nghiệp đầy tham vọng ở California này đã sẵn sàng để thay đổi ngành hàng không vũ trụ toàn cầu bằng cách chế tạo ra tên lửa nhanh hơn theo cấp số nhân với quá trình sản xuất rẻ hơn và đơn giản hơn.

       Trên con đường viết lại các quy tắc cho việc phóng vệ tinh thương mại, Relativity hy vọng cuối cùng sẽ chế tạo ra được tên lửa in 3D có thể đi tới Sao Hỏa - nơi công nghệ cách tân với giá cả phải chăng này có thể được sử dụng để hỗ trợ cho công cuộc “thực dân hóa” của con người.

    “Mô phỏng là cách duy nhất để có được mức độ trung thực và chính xác cao khi bạn quản lý một dây chuyền công nghệ in 3D.”

    Relativity Space đặt mục tiêu trở thành công ty đầu tiên phóng tên lửa được sản xuất hoàn toàn bằng in 3D hoặc công nghệ chế tác cộng . Động cơ tên lửa Aeon của công ty chỉ bao gồm 100 bộ phận và được sản xuất trong ba lần in.

       Thời điểm họ gặp nhau khi còn là sinh viên tại Đại học Nam California, Tim Ellis và Jordan Noone đã ngay lập tức gắn bó bởi tình yêu mà họ cùng dành cho tên lửa. Họ đã làm việc cùng nhau trong Phòng thí nghiệm tên lửa đẩy của USC - được thành lập bởi một nhóm sinh viên muốn trở thanh những sinh viên đầu tiên phóng tên lửa vào không gian.

       Sau khi tốt nghiệp, Noone làm việc cho SpaceX và Ellis được Blue Origin thuê. Hai người đã tái hợp vào năm 2015 và quyết định khởi động một công ty khởi nghiệp có tên Relativity Space. Công ty mới của họ dựa trên một khái niệm mới: sản xuất tên lửa thông qua công nghệ in 3D mới nổi, còn được gọi là công nghệ sản xuất đắp dần (AM).

       Trong khi các công ty hàng không vũ trụ khác đang in các bộ phận của xe cộ, thì Ellis và Noone muốn trở thành người đầu tiên sản xuất toàn bộ tên lửa thông qua công nghệ sản xuất đắp dần. Những nhà sáng lập nhận ra rằng có nhiều lợi thế cho công nghệ sản xuất đắp dần. Cấu trúc có thể được đơn giản hóa. Một tên lửa được tạo thành từ 100 bộ phận sử dụng sản xuất đắp dần sẽ có cấu trúc ổn định hơn và tiềm năng vốn có mạnh hơn so với một tên lửa gồm 10.000 thành phần riêng biệt.

       Sản xuất đắp dần hợp lý hóa đáng kể việc lắp ráp và làm cho chuỗi cung ứng đầu cuối đơn giản hơn và liền mạch hơn. Sản xuất đắp dần cũng loại bỏ các hạn chế về hình học lý thuyết và mở ra các tùy chọn thiết kế.

       "Khi chúng tôi nói rằng chúng tôi muốn tên lửa in 3D, rất nhiều người nghĩ rằng chúng tôi bị điên", ông Noone - giám đốc công nghệ của công ty nói. “Nhưng những người có kinh nghiệm trong ngành đã nhìn thấy tiềm năng trong ý tưởng của chúng tôi”. Một trong những người đó là nhà đầu tư tỷ phú Mark Cuban, người đã cam kết tài trợ 500.000 đô la để đưa Relativity lên khỏi mặt đất. Relativity cũng được chấp nhận vào chương trình Y Combinator uy tín, nơi cung cấp nguồn tài trợ và tư vấn chiến lược cho các công ty khởi nghiệp.

       Được hỗ trợ về vốn và kế hoạch kinh doanh nhưng vẫn còn một vấn đề lớn: Ellis và Noone không thể tìm thấy máy in 3D đủ lớn để sản xuất tên lửa. Vì vậy, cặp đôi đã làm những gì mà bất kỳ người có tầm nhìn nào sẽ làm. Họ chế tạo máy in của riêng họ.

    Stargate: Máy in 3D lớn nhất thế giới

       Đường kính 2,7 mét và cao 4,6 mét, cỗ máy hoàn thiện - được gọi là Stargate – được lắp đặt tại trụ sở của công ty ở Los Angeles, California, và là máy in 3D lớn nhất thế giới.

       Quy trình phức tạp để tạo ra máy in Stargate được quản lý toàn bộ bằng mô phỏng. Cả Noone và Ellis đều đã sử dụng phần mềm ANSYS trong các công việc trước đây của họ và họ đã liên hệ với ANSYS trong vòng tám ngày sau khi thành lập Relativity Space.

    “Phần mềm của ANSYS được đánh giá rất cao trong ngành hàng không vũ trụ toàn cầu”, ông Noone nhấn mạnh. “Đây là một công nghệ đáng tin cậy, được biết đến là cực kỳ chính xác cũng như dễ sử dụng. Chúng tôi biết rằng chúng tôi cần ANSYS để biến ý tưởng của mình thành hiện thực”.

       Relativity đã có thể nhanh chóng truy cập cấp phép phần mềm thông qua Chương trình khởi nghiệp ANSYS. “Hợp tác sớm với ANSYS là vô cùng quan trọng trong việc đẩy nhanh quá trình thiết kế cho Stargate, cũng như đảm bảo rằng chúng tôi đã hiểu đúng về mặt vật lý”, ông Noone nói. “Ví dụ như chúng tôi đã mô phỏng động lực học chất lưu tính toán bên trong máy in để tối ưu hóa dòng nguyên liệu trong quá trình in thực tế”.

       Trong khi thiết kế và xây dựng máy in mất nhiều thời gian và tiền bạc, khoản đầu tư này vẫn thấp hơn đáng kể so với việc chi hàng chục triệu đô la để mua dụng cụ cố định và xây dựng một nhà máy sản xuất. Sử dụng máy in 3D cũng tối đa hóa tính linh hoạt của nhóm kỹ sư khi nó lặp lại trên các thiết kế sản phẩm. “Có thể mất đến hàng tháng và hàng triệu đô la để trang bị lại một cơ sở sản xuất truyền thống”, ông Noone chỉ ra.

    “Tuy nhiên, chúng tôi có thể đạt được một thiết kế động cơ mới trong 18 ngày và lặp lại phương tiện hoàn toàn mới trong 30 ngày. Điều đó mang lại cho chúng tôi sự nhanh nhẹn và tốc độ phản ứng không ai sánh bằng trong ngành hàng không vũ trụ”.

    "Khi chúng tôi nói rằng chúng tôi muốn tên lửa in 3D, rất nhiều người nghĩ rằng chúng tôi bị điên."

    "Chúng tôi biết chúng tôi cần ANSYS để biến ý tưởng của mình thành hiện thực."

    Aeon: Động cơ tên lửa in 3D đầu tiên

       Các kỹ sư tại Relativity cũng dựa vào mô phỏng thông qua ANSYS để thiết kế Aeon, động cơ tên lửa đầu tiên được sản xuất chỉ với công nghệ sản xuất đắp dần. Aeon được tạo ra từ một hợp kim niken có khả năng tạo ra lực đẩy lên tới hơn 7 tấn sức nâng khi cất cánh. Chỉ với ba phần, động cơ được sản xuất trong ba lần in riêng biệt.

       Nhóm phát triển sản phẩm của Relativity đã tận dụng phần mềm ANSYS Fluent để tiến hành mô phỏng tính toán động lực học chất lưu (CFD) của phần tử phun, lỗ làm mát và ống truyền dẫn của động cơ. Bằng cách tối ưu hóa dòng lưu chuyển của những bộ phận này, các kỹ sư đã có thể giảm thiếu quy trình thiết kế tổng thể và chi phí vốn rất cao của thử nghiệm vật lý.

       Các kỹ sư của công ty cũng đã sử dụng ANSYS Mechanical để đánh giá các ứng suất cấu trúc bên trong động cơ Aeon trong các sự kiện quan trọng như cất cánh. Hơn 100 vụ cháy thử nghiệm đã xác nhận rằng các mô phỏng ANSYS đã giúp tối ưu hóa hiệu quả sức mạnh và sự ổn định cấu trúc của Aeon.

    Stargate của Relativity là máy in 3D lớn nhất thế giới.

    Tối ưu hóa kết quả thông qua bộ công cụ ANSYS Additive

       Là nhà sản xuất của một số vật thể in 3D lớn nhất thế giới, Relativity Space tự nhiên trở thành đối tượng tiềm năng khi ANSYS giới thiệu bộ công cụ ANSYS Additive vào năm 2018. Trên thực tế, Relativity là khách hàng chính thức đầu tiên cho bộ phần mềm mới này giúp tối ưu hóa quá trình in 3D từ thành phần nguyên vật liệu đến lắp đặt máy.

       “Chúng tôi rất vui mừng với  bộ công cụ ANSYS Additive” , ông Noone nói. “Bằng cách mô phỏng kết quả của mỗi lần in - trước khi chúng tôi thực sự chắc chắn về nguyên liệu và thời gian máy hoạt động - chúng tôi về căn bản đang giảm thiểu đáng kể rủi ro”.

       Ông Noone lưu ý rằng việc tạo ra các hình dáng bộ phận lớn từ vật liệu kim loại có nghĩa là chi phí thử nghiệm và sai sót rất cao. Các khả năng mới trong  bộ công cụ ANSYS Additive  cho phép đội kỹ thuật của Relativity dự đoán và giải quyết các khu vực biến dạng, đảm bảo độ chính xác hình học, loại bỏ chất thải vật liệu và tránh thiệt hại tiềm tang của máy móc - trong khi vẫn đạt được nhiều lợi ích khác. Ông Noone chia sẻ, “Không có cách nào khác để có được mức độ trung thực và chắc chắn cao khi bạn đang quản lý một dây chuyền công nghệ in 3D”.

    Điểm dừng tiếp theo? Sao Hỏa 

       Ứng dụng ban đầu cho động cơ Aeon của Relativity và phương tiện phóng của nó - được gọi là Terran - sẽ có mặt trên thị trường vệ tinh thương mại. Công ty chiếm một vị trí độc nhất trong ngành công nghiệp, cung cấp dịch vụ “trả tiền cho mỗi lần phóng” cho các vệ tinh trong phạm vi 1250 kg, hoặc có kích cỡ của một chiếc xe hơi nhỏ.

       Với khả năng sản xuất một phương tiện phóng mới cứ sau 60 ngày thông qua công nghệ sản xuất đắp dần nhanh hơn rất nhiều so với một năm thời gian phát triển sử dụng các phương pháp sản xuất truyền thống, Relativity hy vọng sẽ thống trị phân khúc thị trường đang phát triển nhanh này. Công ty đã lựa chọn những khách hàng cho lần ra mắt đầu tiên, dự kiến vào năm 2020. Nhưng tầm nhìn dài hạn của Relativity Space đã vươn xa hơn rất nhiều. Công ty khởi nghiệp đầy năng lượng này hy vọng mình sẽ là công ty đầu tiên sản xuất và phóng tên lửa in 3D lên Sao Hỏa.

       “Chúng tôi hình dung các “thuộc địa” của con người phát triển mạnh trên cả Trái đất và Sao Hỏa”, ông Noone dự đoán. “Tuy nhiên, ban đầu nguồn tài nguyên sẽ rất khan hiếm trên sao Hỏa. Bản chất linh hoạt, tương đối nhẹ của công nghệ sản xuất đắp dần sẽ cung cấp một phương tiện nhanh nhạy với giá cả phải chăng để xây dựng những gì con người cần để tồn tại - và chế tạo tên lửa để quay trở lại Trái đất. Tất cả mọi thứ chúng tôi đã làm về mặt kỹ thuật đều tập trung vào mục tiêu cuối cùng đó. Ví dụ, động cơ Aeon được cấp năng lượng từ oxy và metan, hai loại nhiên liệu sẽ rất dễ sản xuất trên Sao Hỏa”.

       “Chúng tôi nhận ra rằng tầm nhìn này nghe có vẻ tham vọng, nhưng chúng tôi hy vọng sẽ truyền cảm hứng cho các công ty khởi nghiệp khác tham gia vào nỗ lực làm cho nhân loại có thể sinh tồn được trên đa hành tinh. Chỉ vì công ty của bạn nhỏ không có nghĩa là bạn không thể mơ lớn”, ông Noone kết luận.

    Các bài viết cùng chủ đề :

    Nguồn : ansys.com

    Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc. " hoặc "Theo www.advantech.vn " nếu bạn muốn phổ biến thông tin này

    - Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech .,Jsc" hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này