研究人員與NASA合作,，成功3D打印揮發(fā)物極地探測(cè)車(chē)車(chē)輪原型

2023年10月9日,，南極熊獲悉，美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員與NASA合作,，通過(guò)成功3D打印與NASA揮發(fā)物極地探測(cè)車(chē)（VIPER）設(shè)計(jì)相同的輪子,。該項(xiàng)目展示了增材制造在太空探索中的潛力，即可以通3D打印技術(shù)來(lái)提升太空探索的效率和可靠性,。

△NASA機(jī)械設(shè)計(jì)工程師Richard Hagen和ORNL研究員Michael Borish,，在檢查3D打印月球車(chē)輪原型

揮發(fā)物極地探測(cè)車(chē)是美國(guó)宇航局計(jì)劃于2024年發(fā)射道月球的移動(dòng)機(jī)器人，用于繪制月球南極的冰和其它潛在資源地圖,。該任務(wù)旨在幫助確定月球水的來(lái)源和分布,，以及是否可以從月球表面收集足夠的水，來(lái)支持未來(lái)在那里的人類(lèi)居住,。

盡管在橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的制造示范設(shè)施（MDF）中打印的原型車(chē)輪,，不會(huì)直接用于NASA的登月任務(wù)，但其設(shè)計(jì)目的是制造與探測(cè)車(chē)相同設(shè)計(jì)規(guī)格的部件,，以供未來(lái)用于月球或火星探測(cè)器等任務(wù),。同時(shí)，進(jìn)行了額外的測(cè)試以驗(yàn)證設(shè)計(jì)和制造方法,。

MDF表示,，增材制造可以減少能源使用、材料浪費(fèi)和交貨時(shí)間,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和材料特性的定制,。十多年來(lái)，該機(jī)構(gòu)一直在開(kāi)發(fā)3D打印技術(shù),，以廣泛應(yīng)用于清潔能源,、交通和制造領(lǐng)域。

△位于橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的旋轉(zhuǎn)PBF系統(tǒng)（左）和GE全球研究院的原始系統(tǒng)示意圖（右）

MDF研究人員在2022年秋季在橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室，使用專(zhuān)用的3D打印機(jī)制造了一個(gè)流動(dòng)輪的原型,。該打印機(jī)使用了兩個(gè)協(xié)調(diào)的激光器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)建板,，以有選擇性地將金屬粉末熔化成所需的設(shè)計(jì)形狀。

典型的金屬粉末床系統(tǒng)按步驟操作：在機(jī)柜大小的機(jī)器中,，它們?cè)诠潭ò迳习疑弦粚臃勰�,。然后，激光選擇性地熔化一層,，然后板稍微降低并重復(fù)該過(guò)程,。負(fù)責(zé)MDF新型激光粉末床融合系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的Peter Wang表示，這個(gè)3D打印機(jī)的獨(dú)特之處在于它能夠在一個(gè)連續(xù)的過(guò)程中打印大型物體,，即在制造大尺寸物品時(shí),，所有步驟可以同時(shí)進(jìn)行，而不需要多個(gè)獨(dú)立的步驟,。這可以提高效率并加快大型物體的制造速度,。

△盡管可以為車(chē)輪提供更復(fù)雜的輻條圖案和輻條鎖定功能，但3D打印簡(jiǎn)化了車(chē)輪設(shè)計(jì)并降低了成本,，并使最終組裝變得更加容易

成本與設(shè)計(jì)優(yōu)化同時(shí)受益

Wang補(bǔ)充道：“在相同的激光功率下,，這極大地提高了生產(chǎn)率。沉積速度加快了50%,。我們只是觸及了該系統(tǒng)功能的表面,。我真的認(rèn)為這將成為激光粉末床打印的未來(lái)，特別是在大規(guī)模和批量生產(chǎn)中,�,！�

△項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員最近在《3D打印和增材制造》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究，分析了打印電動(dòng)機(jī)等組件技術(shù)的可擴(kuò)展性（傳送門(mén)）

雖然該機(jī)器非常獨(dú)特,，但該項(xiàng)目成功的關(guān)鍵在于,，研究人員在過(guò)程自動(dòng)化和機(jī)器控制方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。他們使用橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的軟件,，將車(chē)輪設(shè)計(jì)垂直分層進(jìn)行“切片”,，然后平衡兩個(gè)激光器之間的工作負(fù)載以均勻打印，利用最近提交專(zhuān)利保護(hù)的計(jì)算技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率,。

原型輪是該系統(tǒng)生產(chǎn)的首批部件之一,，展示了機(jī)構(gòu)間協(xié)作的價(jià)值。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室火星車(chē)輪項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Brian Gibson說(shuō)道：“與NASA合作的項(xiàng)目確實(shí)推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展,。將功能與發(fā)展需求聯(lián)系起來(lái)真是太棒了,，團(tuán)隊(duì)很高興能夠制作具有太空探索應(yīng)用的原型組件�,！�

該原型輪由鎳基合金制成,，寬約8英寸,，直徑約20英寸，比使用金屬粉末床系統(tǒng)打印的典型零件大得多,。制造它需要能夠打印分布在大工作區(qū)域的小幾何特征,。Gibson說(shuō),，增材制造使輪圈設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜,，而不會(huì)增加成本或制造難度。

△增材制造允許將精細(xì)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)（例如圓頂形狀的波浪胎面）納入原型月球輪中

傳統(tǒng)制造與3D打印的區(qū)別

相比之下,，明年將在月球探測(cè)的四個(gè)VIPER車(chē)輪,，需要多個(gè)制造工藝和組裝步驟。VIPER的50片輪輞由360個(gè)鉚接接頭固定在一起,。目的是為了滿(mǎn)足任務(wù)的嚴(yán)格要求,，制造過(guò)程需要復(fù)雜且耗時(shí)的機(jī)械加工。

如果NASA測(cè)試證明3D打印原型與傳統(tǒng)制造的車(chē)輪一樣堅(jiān)固,，那么未來(lái)的漫游車(chē)可以改用單個(gè)打印輪圈,，而ORNL需要40個(gè)小時(shí)才能制造出來(lái)。通過(guò)該項(xiàng)目,，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)宇航局工程師還探索了打印精確的設(shè)計(jì)特征,，例如傾斜的側(cè)壁、圓頂形狀和波浪形胎面,，以增加車(chē)輪的剛度,。

使用傳統(tǒng)制造方法很難將這些特性融入到當(dāng)前的VIPER車(chē)輪設(shè)計(jì)中。盡管可以為車(chē)輪提供更復(fù)雜的輻條圖案和輻條鎖定功能,，但3D打印簡(jiǎn)化了車(chē)輪設(shè)計(jì)并降低了成本,，并使最終組裝變得更加容易。

NASA機(jī)械設(shè)計(jì)工程師兼NASA休斯敦約翰遜航天中心增材制造實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理Richard Hagen表示：“車(chē)輪的許多功能只是為了強(qiáng)調(diào)增材制造的用途,。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室打印大型物體的能力,，證明了增材制造技術(shù)在為月球和火星任務(wù)生產(chǎn)更大的火星車(chē)輪方面的潛力。

在3D打印過(guò)程中,，他們也遇到挑戰(zhàn),，專(zhuān)用打印機(jī)僅能使用某些特定材料（例如鎳基合金），因此3D打印的車(chē)輪比鋁VIPER車(chē)輪重50%,，但打印厚度相似,。

下一步NASA計(jì)劃會(huì)進(jìn)一步在約翰遜航天中心或指定測(cè)試機(jī)構(gòu)測(cè)試3D打印車(chē)輪的性能。評(píng)估人員將評(píng)估車(chē)輪的可操縱性,、旋轉(zhuǎn)阻力,、側(cè)滑、爬坡和其他性能指標(biāo),。

研究人員表示,，3D打印具有根據(jù)測(cè)試快速更新迭代的優(yōu)勢(shì),。它還可以包含更多的復(fù)雜性，例如懸架系統(tǒng),，而不會(huì)增加弱點(diǎn),。

Hagen表示，作為該機(jī)構(gòu)阿耳忒彌斯計(jì)劃的一部分,，在月球上設(shè)置的載人研究站將需要地外制造能力,。他說(shuō)：“能夠在太空中制造維修零件非常重要，因?yàn)槟銦o(wú)法獲得足夠的備件,。用于打印的粉末,、顆粒或長(zhǎng)絲更容易包裝,，并且具有更大的靈活性,。”

Gibson強(qiáng)調(diào),，通過(guò)3D打印的靈活性,，我們可以使用現(xiàn)有原料制造所需的各種零件，無(wú)論是在地球還是太空中,。