歐洲航天局支持3D打印無摩擦齒輪項目

2023年8月30日，南極熊獲悉,，瑞士電子和微技術(shù)中心（CSEM）與金屬3D打印專家3D Precision and Space以及航空航天中小企業(yè)Almatech SA合作，將共同設(shè)計,、3D打印和測試一種名為順應(yīng)旋轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)（CRRM）的高性能不銹鋼一體化齒輪系統(tǒng),。

△3D打印的順應(yīng)旋轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)（CRRM）

目標(biāo)取消“潤滑”

CRRM是一種無摩擦齒輪機(jī)構(gòu)，采用高性能不銹鋼材料通過3D打印一體化制造而成,。該齒輪系統(tǒng)旨在實現(xiàn)航空航天部件（如推進(jìn)器、傳感器,、望遠(yuǎn)鏡鏡頭或鏡子）的精確旋轉(zhuǎn),，最重要的是它無需潤滑劑。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),，CRRM采用了彎曲或“彈性變形”的設(shè)計,，包含24個可彎曲葉片，其中16個是互鎖的,。

該項目于2018年啟動,，由歐洲航天局（ESA）通用支持技術(shù)計劃（GSTP）資助。CRRM的設(shè)計由CSEM負(fù)責(zé),，3D Precision負(fù)責(zé)進(jìn)行3D打印制造,，性能測試則由Almatech SA進(jìn)行。

歐空局技術(shù)官員Paolo Zaltron解釋說：“可變形部件和剛性部件被構(gòu)建為一個整體結(jié)構(gòu),，避免了任何耗時的組裝和對準(zhǔn),。”他還指出,，這些部件的非常規(guī)形狀突破了3D打印技術(shù)的界限,，是先進(jìn)優(yōu)化技術(shù)的成果，將帶來了前所未有的高靈活性和輕量化優(yōu)勢,。

△3D Precision開發(fā)的金屬3D打印零部件

3D打印無摩擦齒輪

在太空應(yīng)用中,，使用潤滑劑可能會導(dǎo)致精密系統(tǒng)受到不必要的污染，引起磨損,，從而縮短組件的整體使用壽命,。因此，無需潤滑的無摩擦結(jié)構(gòu)特別具有市場前景,。

盡管柔順機(jī)構(gòu)在太空應(yīng)用中被廣泛使用,，通常用于需要零摩擦運(yùn)動的場合,，但其設(shè)計和制造具有挑戰(zhàn)性。這是因為這些機(jī)構(gòu)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，由各種精密零件組成,，傳統(tǒng)上需要進(jìn)行加工、驗證,、對齊和固定,。

3D打印在這些機(jī)構(gòu)的制造中具有顯著優(yōu)勢，包括設(shè)計自由度以及能夠制造復(fù)雜整體形狀而無需任何組裝要求的可能性,。據(jù)稱,，如果不使用增材制造，CRRM無法在如此小的體積內(nèi)集成24個撓性葉片,，以形成交叉樞軸和八個中間級,。此外，借助3D打印的優(yōu)勢,，彎曲結(jié)構(gòu)之間無需對齊即可確保適當(dāng)?shù)碾娪靶Ч��?br />

△在另一個案例中,，人們使用3D打印為軌道火箭開發(fā)熱交換器組件

為了設(shè)計該機(jī)構(gòu)，該團(tuán)隊還結(jié)合了參數(shù)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化,。據(jù)說這種組合顯著改善了零件的質(zhì)量和特征頻率,，提供了超過550 Hz的第一特征模態(tài)。最終,，CRRM可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動減少10倍,，對于掃描、指向,、校準(zhǔn)或翻轉(zhuǎn)鏡機(jī)構(gòu)特別有用,。

盡管整個項目的總體結(jié)果被認(rèn)為是令人鼓舞的，但由于制造和測試過程中使用的寬板模型存在失真,，導(dǎo)致性能和壽命測試的結(jié)果并不理想,。

△有關(guān)測試過程的完整結(jié)果以及CRRM開發(fā)和制造的更多信息，請參閱CEAS太空雜志

雖然,，CRRM項目還在進(jìn)一步的研究和開發(fā)中,，但該項目的進(jìn)展對于航天技術(shù)和3D打印技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，有望為未來的航天探索和工程應(yīng)用帶來更多創(chuàng)新和突破,。