Der 3D-Druck verspricht effizientere Möglichkeiten zur Herstellung maßgeschneiderter Sprengstoffe und Raketentreibstoffe

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Stellen Sie sich vor, Sie fahren an einem regnerischen Tag zur Arbeit, als ein abgelenkter, rücksichtsloser Fahrer aus dem Nichts Ihr Auto anfährt. Bei einem „Boom“ entfaltet sich ein Airbag schneller als Sie können blinzle mit den Augen Um dein Leben zu retten.

Dieser Airbag entfaltete sich dank eines energetischen Materials namens Natriumazid, das während einer chemischen Reaktion Stickstoffgas erzeugt, um Ihren Airbag aufzublasen. Aber was ist ein energetisches Material?

Zu den energetischen Materialien gehören Treibstoffe, Pyrotechnik, Treibstoffe und Sprengstoffeund sie werden in allen möglichen Umgebungen verwendet.

Zu den Einsatzmöglichkeiten energetischer Materialien gehören: Fackeln, Streichhölzer, Feststoffraketen-Booster, Waffentreibstoffeheiß Thermitschweißen verwendet, um Materialien miteinander zu verschmelzen, Feuerwerk und das explosive Spezialeffekte in deinem Lieblings-Actionfilm.

Treibstoffe helfen beim Abschuss von Raketen.
US Air Force/Joe Davila

Energetische Materialien gibt es in vielen Formen und Größen, aber oft liegen sie in fester Form vor und geben durch sie viel Energie ab brennen oder explodierenabhängig von ihrer Form und den Bedingungen, unter denen sie betrieben werden.

Ich bin ein Professor für Maschinenbau der studiert energetische Materialien. Die Herstellung energetischer Materialien ist nicht einfach, aber Entwicklungen im 3D-Druck könnten die Anpassung einfacher machen und gleichzeitig mehr potenzielle wissenschaftliche Anwendungen ermöglichen.

Die Rolle der Geometrie

Wie energetische Materialien hergestellt werden, beeinflusst die Formen, in denen sie vorliegen, und wie sie im Laufe der Zeit Energie freisetzen. Beispielsweise werden Feststoffraketentreibstoffe hergestellt ähnlich einem Kuchen Dabei rührt ein Standmixer den „Teig“, aus dem größtenteils besteht Ammoniumperchlorat, Aluminium und ein gummiartiges Bindemittel, bevor es in eine Pfanne gegossen wird. Der „Kuchen“ verfestigt sich in der Form, während er im Ofen backt.

Typischerweise haben Raketentreibstoffe eine zylindrische Form, jedoch mit einem Stab in der Mitte. Die Stange hat oft eine bestimmte Querschnittsform, wie ein Kreis oder ein Stern. Wenn das Treibmittel erstarrt, wird der Stab entfernt, wobei die Kernform zurückbleibt.

Die Kernform beeinflusst, wie das Treibmittel brennt, was Auswirkungen auf die haben kann Schub des Motors, in dem es verwendet wird. Durch einfaches Ändern der zentralen Form des Treibmittels können Sie einen Motor beschleunigen, verlangsamen oder seine Geschwindigkeit über einen längeren Zeitraum beibehalten.

Dieser traditionelle Prozess des „Kuchenbackens“ schränkt jedoch die Formen ein, die Sie herstellen können. Sie müssen in der Lage sein, die Stange zu entfernen, nachdem das Treibmittel erstarrt ist. Wenn die Form der Stange also zu komplex ist, kann es passieren, dass das Treibmittel zerbricht, was dazu führen kann, dass es unregelmäßig brennt.

Das Entwerfen von Treibstoffformen, die Raketen schneller oder weiter fliegen lassen, ist ein aktives Forschungsgebiet, aber Ingenieure benötigen neue Fertigungsmethoden, um diese immer komplexeren Designs zu erstellen.

3D-Druck zur Rettung

3d Drucken hat die Fertigung auf vielfältige Weise revolutioniert, und Forscher wie ich versuchen zu verstehen, wie dadurch die Leistung energetischer Materialien verbessert werden kann. Beim 3D-Druck wird ein Drucker zum Stapeln von Material verwendet Schicht nach Schicht ein Objekt bauen.

Mit dem 3D-Druck können Sie individuelle Formen herstellen, mehrere Materialarten in einem Teil drucken und Geld und Material sparen.

3D-Druck kann kosten- und zeiteffizient sein.

Allerdings ist es aus mehreren Gründen eine große Herausforderung, energetische Materialien in 3D zu drucken. Manche Energetische Materialien sind sehr viskos, was bedeutet, dass es sehr schwierig ist, diese Mischung aus einer Tube mit einer kleinen Düse herauszudrücken. Stellen Sie sich vor, Sie drücken Ton aus einer kleinen Spritze – das Material ist zu dick, um sich leicht durch das kleine Loch zu bewegen.

Darüber hinaus können energetische Stoffe bei unsachgemäßer Handhabung gefährlich sein. Sie können sich entzünden, wenn dies der Fall ist Zu viel Wärme während des Herstellungsprozesses oder während der Lagerung, oder wenn sie einer statischer Stromschlag.

Aktuelle Fortschritte

Trotzdem haben Forscher große Fortschritte gemacht vergangenes Jahrzehnt einige dieser Herausforderungen zu meistern. Wissenschaftler haben zum Beispiel 3D-gedruckt reaktive Tinten auf Elektronik um Selbstzerstörung zu ermöglichen, wenn sie in die falschen Hände geraten.

Wissenschaftler untersuchen, wie man dünne Schichten Thermit, eine Art energiereiches Material, auf Oberflächen drucken kann.

Theoretisch könnten Sie diese Tinten auch strategisch in 3D auf alte Satelliten oder ähnliches drucken alternde Internationale Raumstation um diese umlaufenden Geräte aufzuteilen ausreichend kleine Trümmer das in der Atmosphäre verglüht, bevor es auf den Boden trifft.

Viele Forscher beschäftigen sich mit dem 3D-Druck von Waffentreibstoffen. Modifizieren der Form von Waffentreibstoffen könnte Kugeln herstellen, die weiter fliegen können.

Andere haben versucht, den 3D-Druck zu nutzen, um die Umweltbelastung zu reduzieren Waffentreibstoffe Und Zünder, die aggressive Lösungsmittel erfordern herzustellen. Diese Lösungsmittel sind unsicher, schwer zu entsorgen und können schädlich sein die Umgebung Und Gesundheit der Leute.

Ich habe gezeigt, dass es möglich ist Feststoffraketentreibstoffe im 3D-Drucker herstellen die ähnliche Eigenschaften wie herkömmlich hergestellte Treibstoffe haben. Mit dieser Forschung haben wir nun die Möglichkeit herauszufinden, wie das geht Treibstoffe aus mehreren Materialien brennenwas Neuland ist.

Um Raketentreibstoffe in 3D zu drucken, müssen Sie zunächst herausfinden, wie man sehr viskose Materialien druckt.

Anstatt beispielsweise einen Stab zu verwenden, um einem Treibstoff eine Querschnittsform zu verleihen, könnten Sie dies auch tun 3D-Druck eines hochreaktiven Materials die Sie in der Mitte hinzufügen könnten. Anstatt das Kernmaterial entfernen zu müssen, könnten Sie es so schnell verbrennen, dass eine Kernform zurückbleibt. Das reaktive Material würde dem Treibstoff auch Energie hinzufügen. Dadurch würde die Notwendigkeit entfallen, einen Stab zur Herstellung eines zentralen Kerns zu verwenden und zu entfernen.

Während ein Großteil dieser Forschung noch in den Kinderschuhen steckt, haben Unternehmen wie X-Bogen haben Treibstoffe in 3D gedruckt und erfolgreiche Flugtests mit diesen Motoren durchgeführt.

Schließlich haben mehrere Forscher untersucht, wie 3D-gedruckter Sprengstoff detonieren. Wenn die Sprengstoffe in ein gitterförmiges Gitter gedruckt werden, reagieren sie unterschiedlich, wenn ihre Poren mit Luft oder Wasser gefüllt sind. Dieser Prozess führt zu einem sichereren „„schaltbarer“ Sprengstoff das nicht reagiert, es sei denn, es befindet sich in einer bestimmten Umgebung.

Der 3D-Druck energetischer Materialien ist noch ein neues Feld. Wissenschaftler haben noch einen langen Weg vor sich, bis wir vollständig verstehen, wie das geht Der 3D-Druck beeinträchtigt ihre Sicherheit und Leistung. Aber jeden Tag finden Wissenschaftler wie ich neue Wege, 3D-gedruckte Energien für wichtige und manchmal lebensrettende Zwecke zu nutzen.



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