ORNL和NASA 3D 打印月球車(chē)輪原型,，大幅提升復(fù)雜太空零部件生產(chǎn)效率

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 (ORNL)和 NASA 的研究人員利用3D 打印仿制了一個(gè)與 NASA 機(jī)器人月球車(chē)類(lèi)似的車(chē)輪,，這一成果展示了3D打印技術(shù)在制造太空探索核心專(zhuān)用部件方面的潛力,。

3D打印的車(chē)輪是仿造了NASA計(jì)劃在2024年部署的探索月球南極冰和其他資源的機(jī)器人VolatilesInvestigating Polar Exploration Rover（VIPER）月球車(chē)上所使用的設(shè)計(jì)。VIPER 的任務(wù)將幫助科學(xué)家了解月球水的來(lái)源,、分布和潛在的收集能力,，以支持人類(lèi)居住,。

△NASA 機(jī)械設(shè)計(jì)工程師 Richard Hagen（左）和 ORNL 研究員 Michael Borish 檢查在制造演示設(shè)施 3D 打印的月球車(chē)輪原型。圖片來(lái)源：Carlos Jones,，ORNL/美國(guó)能源部,。

盡管此次打印的車(chē)輪原型并非注定要登上月球，但它符合 NASA VIPER 輪子的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),。進(jìn)一步的測(cè)試將評(píng)估這種設(shè)計(jì)及其制造方法,，以用于未來(lái)的太空任務(wù)。

增材制造可以減少能源消耗,、材料浪費(fèi)和交貨時(shí)間,，還支持復(fù)雜的設(shè)計(jì)并允許定制材料屬性。美國(guó)能源部的制造示范設(shè)施 (MDF) 十多年來(lái)一直引領(lǐng)此類(lèi)技術(shù),，并于 2022 年使用獨(dú)特的 3D 打印機(jī)開(kāi)發(fā)了車(chē)輪原型,。這臺(tái)打印機(jī)的大小足以容納一個(gè)人，它部署兩個(gè)同步激光器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)的構(gòu)建板,，以選擇性地將金屬粉末熔化成所需的結(jié)構(gòu)。與標(biāo)準(zhǔn)金屬粉末床系統(tǒng)不同,，該系統(tǒng)能夠連續(xù)工作,，允許各個(gè)制造過(guò)程同時(shí)發(fā)生。

△打印流動(dòng)輪原型的團(tuán)隊(duì)成員在激光粉末床打印機(jī)前展示了在 MDF 中創(chuàng)建的結(jié)果,。圖片來(lái)源：Carlos Jones,，ORNL/美國(guó)能源部。

負(fù)責(zé)新型激光粉末床熔融系統(tǒng) MDF 開(kāi)發(fā)的 Peter Wang 說(shuō)道：“在相同的激光功率下,，這大大提高了生產(chǎn)率,，沉積速度提高了50%。我們只是觸及了該系統(tǒng)功能的皮毛,。我真的認(rèn)為這將是激光粉末床打印的未來(lái),，尤其是大規(guī)模和批量生產(chǎn)�,！� Wang和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員最近發(fā)表了一項(xiàng)研究,，分析了電動(dòng)機(jī)等打印組件技術(shù)的可擴(kuò)展性。該研究以題為“Improved Productivity with Multilaser Rotary Powder Bed FusionAdditive Manufacturing”的論文被發(fā)表在《3D Printing and AdditiveManufacturing》期刊上,。

相關(guān)論文鏈接：https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/3dp.2022.0288

Wang 強(qiáng)調(diào),，打印機(jī)的獨(dú)特性與團(tuán)隊(duì)在自動(dòng)化和機(jī)器控制方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)相匹配。研究人員利用橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的軟件將車(chē)輪的設(shè)計(jì)分割成垂直部分——在兩個(gè)激光器之間均勻分配工作——從而實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)率,。這種方法利用了最近提出的專(zhuān)利計(jì)算技術(shù),。

該車(chē)輪原型由鎳基合金制成，寬度為 8 英寸,，直徑為 20 英寸,，比通常使用金屬粉末系統(tǒng)打印的零件要大,。使用 3D 打印，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的輪圈設(shè)計(jì),，沒(méi)有額外的成本或制造挑戰(zhàn),。相比之下，VIPER 的輪子即將在月球上滾動(dòng),，需要經(jīng)歷大量的制造和組裝程序,，這使得它們的生產(chǎn)流程變得復(fù)雜且耗時(shí)耗力。

△盡管為車(chē)輪提供了更復(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。圖片來(lái)源：CarlosJones,，ORNL/美國(guó)能源部,。

美國(guó)宇航局機(jī)械設(shè)計(jì)工程師兼休斯敦美國(guó)宇航局約翰遜航天中心增材制造實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理理查德·哈根說(shuō)：“許多車(chē)輪特征的加入只是為了強(qiáng)調(diào)增材制造的用途，它可以讓您輕松實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工具甚至傳統(tǒng)加工零件難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)功能,�,！�

如果 3D 打印的車(chē)輪與傳統(tǒng)制造的車(chē)輪的堅(jiān)固性相匹配，未來(lái)的漫游者可能會(huì)選擇這種單打印輪圈,，該輪圈在 ORNL 只花了 40 個(gè)小時(shí)就生產(chǎn)出來(lái),。3D 打印工藝引入了傾斜側(cè)壁、圓頂形狀和波浪形胎面等功能,，從而增強(qiáng)了車(chē)輪的剛度,。

△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。圖片來(lái)源：Carlos Jones,，ORNL/美國(guó)能源部,。

然而，3D 打印的車(chē)輪也有局限性,。該打印機(jī)僅適用于特定材料,，因此當(dāng)打印厚度相似時(shí)，3D 打印的車(chē)輪要比 VIPER 的鋁制車(chē)輪重 50%,。NASA 打算在 NASA 約翰遜航天中心或?qū)ｉT(mén)的測(cè)試設(shè)施的流動(dòng)站上測(cè)試這種 3D 打印車(chē)輪的性能,，評(píng)估各種性能指標(biāo)。

作為NASA機(jī)構(gòu)阿耳忒彌斯計(jì)劃的一部分,，在月球上建立的載人研究站將需要地外制造能力,。哈根說(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,�,！�

△橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 MDF 的研究人員監(jiān)測(cè)了原型月球輪的打印過(guò)程，同時(shí)用兩束激光熔化金屬粉末來(lái)建造它,。圖片來(lái)源：Carlos Jones,，ORNL/美國(guó)能源部。

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)人布萊恩·吉布森 (Brian Gibson) 說(shuō)：“增材制造提供了靈活性,，如果你有原料,，你就可以制造你需要的任何替換零件，無(wú)論是在太空還是在地球上,�,！�

這就是增材制造引起了一系列替代需求的極大興趣的原因，從快速制造的模具到難以采購(gòu)的鑄件和鍛件,。對(duì)于太空探索和居住,，3D 打印機(jī)未來(lái)甚至可以使用來(lái)自月球或火星的當(dāng)?shù)夭牧献鳛樵�料，從而生產(chǎn)出我們想要的工具,。