خلاصہ
5ویں سالانہ European Space Agency CubeSat Industry Day کے موقع پر Orion Additive Manufacturing GmbH نے 3D پرنٹنگ میں ہائی پرفارمنس پولیمرز کے استعمال کے لیے اپنی انقلابی ٹیکنالوجی پیش کی۔ Orion کے اپنے تھرمل ریڈی ایشن ہیٹنگ سسٹم کی بدولت اس کے 3D پرنٹڈ مٹیریلز کی خصوصیات میں دیگر ٹیکنالوجیز سے پرنٹ کیے گئے مٹیریلز کے مقابلے میں نمایاں بہتری دیکھی گئی ہے۔ حالیہ ٹیسٹ نتائج سے ظاہر ہوا ہے کہ Orion کی ٹیکنالوجی سے پرنٹ کیے گئے پارٹس انجیکشن مولڈڈ PEEK پارٹس کی نظریاتی مضبوطی کے 80% تک پہنچ گئے۔ یہ مضمون Orion کی اس تحقیق کا جائزہ لیتا ہے جو ESA کے CubeSat Industry Day پر پیش کی گئی۔ Orion یہ دکھا رہا ہے کہ جدید ترین ایڈیٹیو مینوفیکچرنگ ٹیکنالوجیز اور مٹیریلز کو کیوب سیٹ کی لانچ لاگت میں بڑی کمی کے لیے کیسے استعمال کیا جا سکتا ہے۔
کیوب سیٹس کی تیاری کے دوران درپیش چیلنجز
کیوب سیٹس کی تیاری کے دوران درپیش چیلنجز
کیوب سیٹس چھوٹے اور ہلکے سیٹلائٹ ہیں جو خلائی تحقیق، زمین کے مشاہدے، ٹیلی کمیونیکیشن اور بہت سے دیگر مقاصد کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ عام طور پر ان کی عمر چند سال ہوتی ہے، جس کے بعد انہیں فضا میں دوبارہ داخلے پر جلنے دے کر ناکارہ کر دیا جاتا ہے۔ یہ کم تعداد میں تیار کیے جاتے ہیں، بہت قیمتی ہوتے ہیں اور اکثر اپنی ایپلی کیشن کے مطابق انتہائی حسبِ ضرورت بنائے جاتے ہیں۔ چونکہ کیوب سیٹس انسانی فلاح کے لیے بہت کم یا کوئی خطرہ پیدا نہیں کرتے، اس لیے یہ ایسی صنعت کا حصہ ہیں جو زیادہ ریگولیٹڈ نہیں، اور اسی لیے اس میں حسبِ ضرورت تبدیلی اور جدت کی بہت گنجائش ہے۔ یہ یقینی بنانے کے لیے کہ کیوب سیٹس لانچ کے دوران اور خلا میں دیگر سیٹلائٹس یا ہارڈ ویئر پر منفی اثر نہ ڈالیں، معیاری کیوب سیٹس ڈیزائن اسپیسیفیکیشنز کے ایک سخت مجموعے کی پابندی کرتے ہیں، جیسے وہ جو اصل میں Cal Poly SLO نے شائع کیے۔ اس سے کیوب سیٹس کا سائز اور وزن بھی محدود ہو جاتا ہے۔
روایتی طور پر کیوب سیٹ کو گھیرنے والا فریم ایلومینیم سے بنایا جاتا ہے، جو خلا کے لیے موزوں ہلکے ترین مٹیریلز میں سے ایک ہے۔ کیوب سیٹ انڈسٹری میں وزن بہت اہم عنصر ہے، کیونکہ لانچ کی لاگت زیادہ تر حجم کے بجائے وزن سے طے ہوتی ہے۔ پولیمرز کے مقابلے میں ایلومینیم نسبتاً بھاری ہے، آہستہ تحلیل ہوتا ہے اور کیوب سیٹ کے ناکارہ ہونے پر زیادہ خطرناک خلائی ملبہ پیدا کرتا ہے۔
PEEK جیسے ہائی پرفارمنس پولیمرز سے بنے فریم اپنے ہلکے وزن، کم کثافت اور زیادہ اسٹرینتھ ٹو ویٹ ریشو کی وجہ سے ایلومینیم فریمز کے زیادہ پسندیدہ متبادل ہیں۔ تاہم یہ پولیمرز اکثر بہت مہنگے ہوتے ہیں، خاص طور پر جب روایتی مینوفیکچرنگ کے دوران پیدا ہونے والے ضیاع کو مدِنظر رکھا جائے۔ ایلومینیم فریمز کی طرح PEEK کے یہ متبادل بھی CNC ملنگ اور مشیننگ سے بنائے جاتے ہیں۔ یہ سبٹریکٹو پراسیسز ہیں جن میں خام مٹیریل کے بلاک سے مطلوبہ شکل کاٹنے کے لیے بہت سا مٹیریل ہٹانا پڑتا ہے، جس سے مہنگا ضیاع ہوتا ہے۔ وسائل کے ضیاع کے علاوہ ان روایتی مینوفیکچرنگ طریقوں کی دیگر حدود بھی ہیں: پارٹس صرف مکمل ٹھوس ہو سکتے ہیں، دستیاب ٹولنگ کے لحاظ سے تفصیلات کی حدود ہوتی ہیں، اور یہ عمل بہت سی ویریئنٹس یا چھوٹے بیچز کی تیاری کے لیے مثالی نہیں، کیونکہ ہر مختلف پارٹ کے لیے مشینوں کو دوبارہ کنفیگر کرنا پڑتا ہے۔
ہائی پرفارمنس پولیمرز کے استعمال کا ایک متبادل طریقہ 3D پرنٹنگ ہے، جسے ایڈیٹیو مینوفیکچرنگ بھی کہا جاتا ہے۔ کیوب سیٹس کی تیاری کے لیے “فیوزڈ فلامنٹ فیبریکیشن” (FFF) طریقہ سب سے زیادہ امید افزا ہے، اگرچہ سلیکٹو لیزر سنٹرنگ (SLS) جیسے کئی دیگر مقبول ایڈیٹیو مینوفیکچرنگ طریقے بھی دستیاب ہیں۔ FFF پراسیسز PEEK، ULTEM یا PC سمیت تھرموپلاسٹکس کی وسیع رینج سے بہت کم ضیاع کے ساتھ مختلف پارٹس تیار کر سکتے ہیں۔ یہ SLS سے ایک اہم فرق ہے، جس میں خام وسائل کا اکثر ضیاع ہوتا ہے اور مٹیریل کا انتخاب کہیں زیادہ محدود ہوتا ہے۔
حالیہ تکنیکی ترقی سے پہلے تک FFF عمل کے ذریعے ان ہائی پرفارمنس پولیمرز سے اعلیٰ معیار کے پارٹس تیار کرنا کافی مشکل تھا۔ ایڈیٹیو طریقے سے تیار کیے گئے بہت سے پارٹس، خاص طور پر PEEK سے بنے پارٹس، اکثر “ڈی لیمینیشن” کا شکار ہوتے ہیں۔ اس کا مطلب ہے کہ حتمی شکل بنانے والی فیوز شدہ لیئرز آپس میں صحیح طرح ویلڈ نہیں ہوتیں۔ ایسے ناقص PEEK پارٹس ایک مسلسل اکائی کے بجائے ڈھیلے جڑے ٹکڑوں کے ڈھیر کی طرح برتاؤ کرتے ہیں۔ ان غیر یکساں مکینیکل خصوصیات کو “اینائسوٹروپک خصوصیات” کہا جاتا ہے اور یہ بہت سے مینوفیکچررز کے پرنٹ شدہ پارٹس میں ایک عام مسئلہ ہے۔
ایڈیٹیو مینوفیکچرنگ کے ذریعے بہتری کے مواقع
چونکہ ہر پیداواری طریقے میں پارٹ ڈیزائن کا اپنا انداز درکار ہوتا ہے، اس لیے روایتی مینوفیکچرنگ کے لیے ڈیزائن کیے گئے کیوب سیٹ پارٹس کو سیدھا پرنٹ کرنا اکثر مشکل ہوتا ہے۔ تاہم ایڈیٹیو مینوفیکچرنگ کچھ منفرد آزادیاں فراہم کرتی ہے۔ خاص طور پر FFF کے ذریعے پارٹس کہیں زیادہ پیچیدہ اور اندر سے کھوکھلے بنائے جا سکتے ہیں۔ اکثر موجودہ پارٹس کو ایک ہی پارٹ میں یکجا بھی کیا جا سکتا ہے، جس سے پیچیدگی کم اور اسمبلی آسان ہو جاتی ہے۔ اس کی ایک اچھی مثال کیوب سیٹس میں موجود ‘کِل سوئچ’ ہے، جو یقینی بناتا ہے کہ لانچ ہونے تک ڈیوائس فعال نہ ہو۔ فی الحال یہ متعدد ایلومینیم فریم اجزاء، ایک سوئچ، اسپرنگ اور پلنجر پر مشتمل ایک پیچیدہ اسمبلی ہے۔ FFF عمل کی دی گئی ڈیزائن کی آزادی سے اسے ایک واحد فریم پارٹ پر نصب رولر والے ایک معیاری سوئچ تک محدود کیا جا سکتا ہے۔ |  |
| متعدد فریم اجزاء درکار ہوتے ہیں | سوئچ، اسپرنگ اور پلنجر کی اسمبلی |
| |
| نیا ڈیزائن، جس میں سوئچ ایک ہی پرنٹ شدہ پارٹ میں شامل ہے | |
پیچیدگی کم کرنے کے علاوہ، جزو کے کچھ حصوں کو کھوکھلا چھوڑ کر مزید وزن بچایا جا سکتا ہے۔ کسی پارٹ کی بیرونی سطحوں کا مٹیریل ضروری مضبوطی فراہم کرنے میں سب سے اہم ہوتا ہے، جبکہ اندرونی مٹیریل محض ان دیواروں کو جوڑنے کا ذریعہ ہوتا ہے۔ اس اندرونی مٹیریل کا زیادہ تر حصہ ہٹانا مٹیریل کے استعمال اور پارٹ کے وزن کو کم کرنے کا بہترین طریقہ ہے، اور FFF پراسیسز سے یہ آسانی سے کیا جا سکتا ہے۔ مثال کے طور پر جہاں SLS سے بنے اجزاء میں یا تو کیویٹیز کی ایک سائیڈ کھلی ہونی چاہیے یا پارٹس مکمل ٹھوس ہونے چاہییں، وہاں FFF پراسیسز پارٹس کو کھوکھلی شکلوں کو مکمل طور پر بند کرنے کی اجازت دیتے ہیں۔ نتیجے میں بننے والے ہوا کے خانے ان پارٹس کو خلا میں استعمال کرتے وقت کوئی مسئلہ پیدا نہیں کرتے؛ آخرکار خلائی جہازوں میں بھی اکثر فوم استعمال ہوتا ہے۔
3D پرنٹڈ اجزاء کے اینائسوٹروپک رویے کی سب سے اہم وجہ، یعنی ڈی لیمینیشن، ان اجزاء کو بنانے والی لیئرز کی کمزور بانڈنگ ہے۔ دیگر ٹیکنالوجیز کے برعکس Orion کا تھرمل ریڈی ایشن ہیٹنگ سسٹم لیئرز کو آپس میں فیوز کر دیتا ہے۔ یہ نئی ٹیکنالوجی پورے آبجیکٹ کو گرم کرتی ہے اور نیا مٹیریل جمع ہونے سے پہلے تھرمل ریڈی ایشن کو پچھلی لیئر کی طرف مرکوز کرتی ہے۔ پرنٹ شدہ مٹیریل کی ہر لیئر 300 °C تک سلیکٹو ہیٹنگ کے ساتھ پچھلی لیئر سے جڑ جاتی ہے۔ اس سے یقینی ہوتا ہے کہ لیئرز ایک مضبوط اور مسلسل پارٹ بنائیں۔ یہ زیادہ مضبوط، زیادہ آئسوٹروپک 3D پرنٹڈ اجزاء تیار کرتی ہے جو فوری استعمال کے لیے تیار ہوتے ہیں۔
خلا کے لیے ایک 3D پرنٹر
جب اوپر بیان کردہ ڈیزائن تکنیکوں اور پرنٹنگ ٹیکنالوجیز کو یکجا کیا جائے تو کیوب سیٹ کے فریم کا وزن اور پیچیدگی دونوں نمایاں طور پر کم کیے جا سکتے ہیں۔ German Orbital Systems کے اشتراک سے، جو باقاعدگی سے ایلومینیم کیوب سیٹ فریمز ڈیزائن اور تیار کرتے ہیں، Orion کے انجینئرز نے وہی سختی (stiffness) اور سطحی معیار برقرار رکھتے ہوئے فریم کا وزن 50% کم کر دیا۔ ایسے سیٹلائٹ کی لانچنگ کی لاگت کو مدِنظر رکھتے ہوئے، یہ ہر لانچ کیے گئے کیوب سیٹ پر تقریباً €25.000,- کی بچت بنتی ہے، یا فی کیوب سیٹ 1.33kg کی حد کے اندر زیادہ بھاری سامان رکھنے کی گنجائش دیتی ہے۔
یہ Orion کے تھرمل ریڈی ایشن ہیٹنگ سسٹم کی بدولت ممکن ہوا، کیونکہ اس کی منفرد ٹیکنالوجی بہترین انٹر لیئر بانڈنگ اسٹرینتھ پیدا کرتی ہے۔ بیرونی ٹیسٹنگ سے ظاہر ہوا کہ معیاری 3D پرنٹڈ ٹیسٹ بارز کی ٹینسائل (کھنچاؤ کی) مضبوطی 4 گنا سے زیادہ بڑھ گئی۔ ٹیسٹ کیے گئے PEEK مٹیریل کے نمونوں نے 72MPa کی الٹیمیٹ ٹینسائل اسٹرینتھ حاصل کی؛ جو PEEK کی نظریاتی مضبوطی کا تقریباً 80% ہے!
یہ یقینی بنانے کے لیے کہ پرنٹ شدہ کیوب سیٹ پارٹس خلا میں برقرار رہیں، Orion کی A150 مشین سے پرنٹ کیے گئے پارٹس کی ESA-ESTEC لیبارٹریز میں ٹیسٹنگ کی گئی۔ ایک مصنوعی خلائی ماحول میں پرنٹ شدہ اجزاء کو ایسی UV شعاعوں کے سامنے رکھا گیا جن کی شدت 3,4 گنا سولر کانسٹینٹ، نیز ویکیوم میں بھی رکھا گیا، جیسا کہ کیوب سیٹس روزانہ تجربہ کرتے ہیں۔ اس کے بعد تھرمل ویکیوم سائیکلنگ کی گئی، جس میں درجۂ حرارت -100°C اور +100°C کے درمیان بدلتا رہا۔ ان مصنوعی خلائی چیلنجز کا سامنا کرنے کے بعد بھی پارٹس کی مٹیریل خصوصیات میں بہت کم یا کوئی تبدیلی نہیں آئی، اور اجزاء فعال رہے۔
نتیجہ
Orion کے تھرمل ریڈی ایشن ہیٹنگ سسٹم کے ساتھ جدید ترین ایڈیٹیو مینوفیکچرنگ عمل استعمال کر کے کیوب سیٹ کے فریم کا وزن 50% تک کم کرنا ممکن ہے، جبکہ وہی مضبوطی برقرار رہتی ہے اور روایتی طریقے سے تیار کردہ اجزاء جیسی ٹالرینسز اور تقاضوں کی پابندی ہوتی ہے۔ اس طرح تیار کیے گئے پارٹس خلا کے چیلنجز برداشت کرنے میں کامیاب ثابت ہوئے ہیں، اور فی کیوب سیٹ لانچ کی لاگت میں €25.000,- تک کمی کر سکتے ہیں، یا Orion کے تھرمل ریڈی ایشن ہیٹنگ سسٹم سے پرنٹ کیے گئے اجزاء کی انتہائی آئسوٹروپک خصوصیات کی بدولت فعالیت، لانچ لاگت یا حفاظت پر سمجھوتا کیے بغیر پے لوڈ کے انتخاب اور وزن میں زیادہ آزادی دے سکتے ہیں۔
