JPL公布2022年三大增材制造應(yīng)用亮點(diǎn)：航天器天線,、電磁屏蔽器和金屬織物

2023年4月11日，南極熊獲悉,，JPL機(jī)構(gòu)公布了2022年度取得的重要技術(shù)突破,，這也是新主任Laurie Leshin（2022年5月16日正式上任，接替2021年8月退休的Michael Watkins）和新的首席技術(shù)專家Tom Cwik博士的第一次亮相,。

美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究科學(xué)家（SRS）和負(fù)責(zé)人,、全球增材制造行業(yè)的知名人士道格拉斯-霍夫曼指出，JPL增材制造的研究亮點(diǎn)主要體現(xiàn)在三個(gè)項(xiàng)目上：

• 第一個(gè)項(xiàng)目是用于航天器天線的3D打印鋁反射器,，其具有拓?fù)鋬?yōu)化的背襯結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定性,。這是由Paul Goldsmith領(lǐng)導(dǎo)的，大部分的打印工作由技術(shù)灌輸組的Ryan Watkins完成,。
• 第二個(gè)項(xiàng)目是定向能量沉積（DED）高性能磁屏蔽的開發(fā),，這種技術(shù)允許用磁性材料（如 mumetal）和用于磁性應(yīng)用的功能梯度多金屬合金生產(chǎn)復(fù)雜的形狀，這項(xiàng)工作是由Samad Firdosy領(lǐng)導(dǎo)的,。
• 最后一個(gè)項(xiàng)目是霍夫曼與加州理工學(xué)院在《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于干擾3D打印織物的工作,。這項(xiàng)工作在Tent Bordeenithikasem的領(lǐng)導(dǎo)下，在與加州理工學(xué)院的新合作中獲得了新的生命,，即利用打印織物制造形狀改變的天線,。
  

霍夫曼說："增材制造在美國宇航局的航天器和漫游車上的應(yīng)用仍有許值得探索的地方。除了火星車上的打印部件外,，JPL在增材制造方面取得的最大成就之一是建立了鋁和鈦部件的LPBF工藝,，使得打印部件能夠滿足飛行要求。這將允許我們能夠?yàn)楹教炱骱吐�游車打印零��,，也能幫助美國宇航局其他中心的工作�?

航天器上的3D打印織物

JPL已經(jīng)開發(fā)出一種新的3D打印織物,，在太空中部署后可以硬化變成所需的形狀。這些形狀變形材料的靈感來自于鏈?zhǔn)窖b甲,，通過打印互鎖的薄片單元來制造,，這些單元可以各自獨(dú)立地移動(dòng)一小段距離，允許定制配置,，非常適合特定用途,。然后，這些靈活的薄片可以被卷起或折疊成非常小的尺寸,，以便裝入火箭整流罩進(jìn)行發(fā)射,。創(chuàng)建一個(gè)可變形的結(jié)構(gòu)需要對(duì)最終的剛性結(jié)構(gòu)有一個(gè)大致但未必精準(zhǔn)的了解，以及設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)幕ユi單元,。

片材可以在其柔性狀態(tài)下被塑形,，并且可以通過改變壓力來調(diào)整剛度，以達(dá)到所需的形狀。然后,，當(dāng)相鄰的片材卡在一起時(shí),，就會(huì)對(duì)它們施加力，使其互鎖成一個(gè)最終的剛性結(jié)構(gòu),。這些結(jié)構(gòu)性織物在美國宇航局的任務(wù)和消費(fèi)產(chǎn)品中都有許多潛在的應(yīng)用,。它們可以被用作可部署的輻射器、天線,、太陽能電池板、輻射防護(hù)毯或微流星體防護(hù)罩,。它們還可以作為暴露在長期微重力環(huán)境下的宇航員的身體塑形外骨骼,。

在地球上，這種結(jié)構(gòu)性織物可用于醫(yī)療保健領(lǐng)域,，作為自適應(yīng)石膏,，在受傷愈合時(shí)調(diào)整其硬度，或作為消防員或士兵的吸收沖擊的衣服,。它們具有可折疊和可收放的特點(diǎn),，一旦進(jìn)入太空就會(huì)展開成更大的剛性形狀，這將導(dǎo)致形成更大的,、可定制的部件,，以獲得最佳性能。

增材制造電磁屏蔽裝置

使用送粉固結(jié)技術(shù)制造的多材料磁屏蔽裝置極大改善了屏蔽性能,。隨著美國宇航局的機(jī)器人航天器探測(cè)來自恒星,、行星和其他目標(biāo)的微弱信號(hào)的能力越來越強(qiáng)，它們也對(duì)來自諸如反應(yīng)輪,、電動(dòng)馬達(dá)和冷卻系統(tǒng)等機(jī)載機(jī)械的干擾也越來越敏感,。

例如，任何使用電動(dòng)馬達(dá)的東西,，對(duì)敏感的磁力計(jì)來說都是一個(gè)問題,。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電子 "噪音 "設(shè)備被金屬外殼所屏蔽,。使這些設(shè)計(jì)復(fù)雜化的是需要?jiǎng)?chuàng)造復(fù)雜的形狀,，以最大限度地提高電磁屏蔽的有效性，而這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)可能非常難以制造,。JPL所使用的新技術(shù)正在充分利用增材制造的優(yōu)勢(shì),，能夠比以前更快、更容易地創(chuàng)造出更好的磁屏蔽裝置,。

JPL所使用是一種被稱為送粉激光沉積的工藝,，它是通過惰性氣體將金屬粉塵從噴嘴中導(dǎo)出，隨后進(jìn)入一個(gè)高功率激光器所發(fā)射的高能光束中完成熔化和沉積。由此產(chǎn)生的熔化的金屬塊與新出現(xiàn)的部件相融合,，在計(jì)算機(jī)控制下逐層建立起來,。通過改變粉末的成分，不同的金屬合金可以被沉積在它們最有效的地方,。這使我們能夠創(chuàng)造出用任何其他方法都無法制造的奇特部件,，而且所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于目前的工藝。其結(jié)果是以更小的質(zhì)量和更低的成本實(shí)現(xiàn)更有效的屏蔽性能,，從而制備出性能更優(yōu)的航天器,，且比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的任何同類部件都要更小更輕。

增材制造天線

在2022年的另一項(xiàng)JPL技術(shù)亮點(diǎn)中,，他們采用增材制造技術(shù)開發(fā)了一種具有高性能,、熱穩(wěn)定性的天線，可應(yīng)用到天文領(lǐng)域和遙感領(lǐng)域,。為航天器和高空氣球設(shè)計(jì)和制造天線是很困難的,。就其本質(zhì)而言，天線是笨重的,，建造它們以承受飛行的壓力并保持尺寸的穩(wěn)定性一直是一個(gè)挑戰(zhàn),。此外，用于各種地球觀測(cè),、行星科學(xué)和天文學(xué)應(yīng)用的亞毫米級(jí)天線也可能是脆弱的,。由于它們?cè)谖⑿〉牟ㄩL上工作，它們必須沒有最微小的缺陷才能正常工作,，并能在廣泛的溫度范圍內(nèi)工作,。

傳統(tǒng)上，這些天線的制造是使用玻璃形式來創(chuàng)建天線的表面,，在其上沉積一層薄的反射材料,，如鎳。然后將一個(gè)由金屬蜂窩或條帶制成的支撐結(jié)構(gòu)粘在背面,。這個(gè)過程非常耗時(shí)和嚴(yán)格,，而且容易出現(xiàn)制造錯(cuò)誤。由此產(chǎn)生的天線在極端溫度下工作時(shí)也有潛在的缺點(diǎn),，因?yàn)椴牧系呐蛎浐褪湛s速度不同,，會(huì)給天線帶來應(yīng)力，并可能出現(xiàn)不均勻的變形,。

JPL的工程師們正在試驗(yàn)一種新的工藝,，這種工藝涉及到增材制造。該工藝不僅成本低,，可以很容易地適應(yīng)不同的應(yīng)用,，并且可以直接完成制造,。這種新方法使用單一的材料來創(chuàng)建支撐結(jié)構(gòu)和反射表面，從而大大簡化了制造過程和單一的膨脹系數(shù),，使得整個(gè)裝置對(duì)溫度變化的反應(yīng)是一致的,。這導(dǎo)致天線上的應(yīng)力更少，變形更小,，在使用過程中能夠提供極優(yōu)的信號(hào),。

通過使用鋁粉打印天線，可以在輕量化的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出更復(fù)雜的天線設(shè)計(jì),，從而獲得使用傳統(tǒng)制造技術(shù)無法制造的復(fù)雜優(yōu)化形狀,。通過使用復(fù)雜的設(shè)計(jì)軟件，天線的支撐組件可以根據(jù)需要做得更薄或更厚,，這有助于進(jìn)一步促進(jìn)更高性能,、更高效設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。