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3D資訊

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山東青島3D打印能促進太空探索
發(fā)布時間:2023-05-12    瀏覽人次:642次
解地球以外的事物。 NASA 和 ESA 等主要組織一直處于太空探索的前沿。 這場征服的另一個重要參與者是3D打印。 由于能夠以低成本快速生產(chǎn)復(fù)雜零件,這種設(shè)計技術(shù)在公司中越來越受歡迎。 它使許多應(yīng)用的創(chuàng)建成為可能,例如衛(wèi)星、宇航服和火箭部件。 事實上,根據(jù)SmarTech的說法,到 2026 年,私人航天工業(yè)增材制造的市場價值預(yù)計將達到21億歐元。這引出了一個問題:3D打印如何幫助人類在太空中更加突出?



最初,3D打印主要用于醫(yī)療、汽車和航空航天領(lǐng)域的快速原型制作。 然而,隨著技術(shù)的普及,它越來越多地用于最終用途部件。 金屬增材制造技術(shù),特別是激光粉末床熔合 (L-PBF),已允許生產(chǎn)各種具有適用于極端太空條件的特性和耐受性的金屬。 其他3D打印技術(shù),例如定向能量沉積 (DED)、粘合劑噴射和擠壓工藝,也用于制造航空航天部件。 近年來,出現(xiàn)了新的商業(yè)模式,Made in Space 和 Relativity Space 等公司使用3D打印技術(shù)設(shè)計航空航天部件。


Relativity Space 為航空航天業(yè)開發(fā)3D打印機

航空航天中的3D打印技術(shù)


既然我們已經(jīng)介紹了它們,那么讓我們更仔細地研究一下航空航天工業(yè)中使用的各種3D打印技術(shù)。 首先,應(yīng)該指出的是,金屬增材制造,尤其是 L-PBF,是該領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的。 這個過程涉及使用激光能源將金屬粉末逐層熔合在一起。 它特別適用于生產(chǎn)小型、復(fù)雜、精細和定制的零件。 航空航天制造商也可以從DED中受益,它涉及沉積金屬線或粉末,主要用于修復(fù)、涂層或生產(chǎn)定制的金屬或陶瓷部件。

相比之下,粘合劑噴射盡管在生產(chǎn)速度和低成本方面具有優(yōu)勢,但不適合生產(chǎn)具有高機械性能的零件。 這是因為它需要后處理強化步驟,這會增加最終產(chǎn)品的制造時間。 擠壓技術(shù)在太空環(huán)境中也很有效。 需要注意的是,并非所有的聚合物都適合在太空中使用,但 PEEK 等高性能塑料憑借其強度可以替代部分金屬部件。 然而,這種3D打印工藝仍然不太普及,但它可以通過使用新材料成為太空探索的寶貴資產(chǎn)。


粉末床上的激光融合是航空航天3D打印中廣泛使用的工藝

空間材料的潛力


航空航天業(yè)一直在利用3D打印探索新材料,并提出可能改變市場的創(chuàng)新替代品。 雖然鈦、鋁和鉻鎳鐵合金等金屬一直是主要關(guān)注點,但有一種新材料可能很快就會成為焦點:月球風(fēng)化層。 月球風(fēng)化層是一種覆蓋月球的塵埃,歐洲航天局已經(jīng)展示了將其與3D打印相結(jié)合的好處。 歐洲航天局高級制造工程師 Advenit Makaya 將月球風(fēng)化層描述為類似于混凝土,主要由硅和其他化學(xué)元素(如鐵、鎂和鋁)以及氧氣組成。 ESA與Lithoz合作,使用模仿真實月球塵埃特性的月球風(fēng)化層模擬物生產(chǎn)了螺絲和齒輪等小型功能部件。

月球風(fēng)化層制造所涉及的大部分過程都使用熱量,使其與SLS等技術(shù)和使用粉末粘合工藝的印刷解決方案兼容。 ESA還在使用D-Shape 技術(shù),目標(biāo)是將氯化鎂與材料混合,通過將其與模擬物中存在的氧化鎂結(jié)合來制造固體部件。 這種月球材料的顯著優(yōu)勢之一是其更精細的打印分辨率,使其能夠生產(chǎn)出精度最高的零件。 這一特性可能是擴大適用于未來月球基地的應(yīng)用和制造組件范圍的主要資產(chǎn)。


月球風(fēng)化層隨處可見

還有火星風(fēng)化層,指的是在火星上發(fā)現(xiàn)的表面物質(zhì)。 目前,國際航天機構(gòu)無法回收這種物質(zhì),但這并沒有阻止科學(xué)家研究其在某些航空航天項目中的潛力。 研究人員正在使用這種材料的模擬物并將其與鈦合金結(jié)合,以期制造工具或火箭零件。 初步結(jié)果表明,這種材料將提供更高的強度并保護設(shè)備免受生銹和輻射損壞。 盡管這兩種材料具有相似的特性,但月球風(fēng)化層仍然是最受考驗的材料。 另一個優(yōu)勢是這些材料可以直接在現(xiàn)場制造,無需從地球運輸原材料。 此外,風(fēng)化層是取之不盡、用之不竭的材料來源,有助于防止短缺。

3D打印在航天領(lǐng)域的不同應(yīng)用

3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以根據(jù)所使用的具體工藝而有所不同。 例如,激光熔化粉末床工藝可用于制造精細的短期零件,例如工具系統(tǒng)或空間備件。 一家名為 Launcher 的加利福尼亞初創(chuàng)公司使用Velo3D的藍寶石金屬3D打印技術(shù)來增強其 E-2 液體火箭發(fā)動機。 制造商的工藝被用來制造感應(yīng)渦輪,它在加速和驅(qū)動 LOX(液氧)進入燃燒室方面起著關(guān)鍵作用。 渦輪機和感應(yīng)器分別使用3D打印技術(shù)打印出來,然后進行組裝。 這一創(chuàng)新部件為火箭提供更大的流體流量和更大的推力,使其成為發(fā)動機的重要組成部分。


Velo3D 為使用PBF技術(shù)制造E-2液體發(fā)動機做出了貢獻

增材制造具有廣泛的應(yīng)用,包括小型和大型結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。 例如,Relativity Space 的 Stargate 解決方案等3D打印技術(shù)可用于制造大型零件,例如火箭油箱和螺旋槳葉片。 Relativity Space 已經(jīng)通過生產(chǎn) Terran 1 成功地證明了這一點,Terran 1 是一種幾乎完全由3D打印而成的火箭,包括一個幾米大的燃料箱。 其首次發(fā)射于2023年3月23日,展示了增材制造工藝的效率和可靠性。

基于擠壓的3D打印技術(shù)還允許使用 PEEK 等高性能材料來生產(chǎn)零件。 由這種熱塑性塑料制成的部件已經(jīng)在太空中進行了測試,并作為阿聯(lián)酋月球任務(wù)的一部分被放置在拉希德漫游車上。 該測試的目的是評估PEEK對月球極端條件的耐受性。 如果成功,PEEK 有可能在金屬部件斷裂或材料稀缺的情況下取代金屬部件。 此外,PEEK 的輕質(zhì)特性在太空探索中可能具有重要價值。


3D打印可以為航空航天業(yè)制造許多零件

3D打印在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢


3D打印是一項極具吸引力的技術(shù),與傳統(tǒng)構(gòu)造技術(shù)相比具有優(yōu)勢,尤其是在零件的最終外觀方面。 奧地利3D打印機制造商Lithoz的首席執(zhí)行官 Johannes Homa 表示,“這項技術(shù)使零件更輕?!?由于設(shè)計自由,3D打印產(chǎn)品效率更高,需要的資源更少。 這對零件生產(chǎn)的環(huán)境影響產(chǎn)生積極影響。 Relativity Space 已經(jīng)證明,增材制造可以顯著減少制造航天器所需的組件數(shù)量。 就 Terran 1火箭而言,節(jié)省了100個零件。 此外,這項技術(shù)在生產(chǎn)速度方面具有顯著優(yōu)勢,火箭在不到 60 天內(nèi)完成。 相比之下,使用傳統(tǒng)方法制造火箭可能需要數(shù)年時間。

在資源管理方面,3D打印可以節(jié)省材料,在某些情況下還可以回收廢物。 最后,增材制造可能成為減輕火箭起飛重量的寶貴資產(chǎn)。 目標(biāo)是最大限度地利用當(dāng)?shù)夭牧希顼L(fēng)化層,并盡量減少航天器中材料的運輸。 這使得僅攜帶3D打印機成為可能,它可以在旅行結(jié)束后在現(xiàn)場創(chuàng)建所有內(nèi)容。


Made in Space已經(jīng)將其中一臺3D打印機送入太空進行測試

太空3D打印的局限性


盡管3D打印具有許多優(yōu)勢,但該技術(shù)仍然相對較新并且有其局限性,Advenit Makaya 表示,“航空航天領(lǐng)域增材制造的主要問題之一是流程的控制和驗證?!?制造商可以進入實驗室,在驗證之前可以對每個零件的強度、可靠性和微觀結(jié)構(gòu)進行測試,這一過程稱為無損檢測 (NDI)。 然而,這可能既耗時又昂貴,因此最終目標(biāo)是減少對這些測試的需求。 NASA 最近成立了一個中心來解決這個問題,專注于對增材制造金屬部件的快速認證。 該中心旨在使用數(shù)字孿生改進產(chǎn)品的計算機模型,這將幫助工程師更好地了解零件的性能和局限性,包括它們在斷裂前可以承受多大的壓力。 通過這樣做,該中心有望幫助促進3D打印在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用,使其能夠更有效地與傳統(tǒng)制造技術(shù)競爭。


這些部件經(jīng)過了全面的可靠性和強度測試

另一方面,如果制造是在太空中完成的,驗證過程就不同了。 ESA 的 Advenit Makaya 解釋說:“有一種技術(shù)包括在零件打印時對其進行分析?!?此方法有助于確定哪些印刷產(chǎn)品適用,哪些不可用。 此外,還有一個用于太空的3D打印機的自我校正系統(tǒng),正在金屬機器上進行測試。 該機器可以識別制造過程中的潛在錯誤,并自動更改其參數(shù)以糾正零件中的任何缺陷。 這兩個系統(tǒng)有望提高印刷產(chǎn)品在太空中的可靠性。

為驗證3D打印解決方案,NASA 和 ESA 制定了標(biāo)準(zhǔn)。 這些標(biāo)準(zhǔn)包括要對零件執(zhí)行以確定其可靠性的一系列測試。 它們考慮了粉末床融合技術(shù),并正在針對其他工藝進行更新。 然而,材料行業(yè)的許多主要參與者,如 Arkema、BASF、Dupont 和 Sabic,也提供這種可追溯性。

生活在太空?

隨著3D打印技術(shù)的進步,我們在地球上看到了許多成功的項目,其中使用該技術(shù)建造房屋。 它讓我們想知道,在不久或遙遠的將來,這個過程是否可以用來建造太空中的可居住結(jié)構(gòu)。 雖然目前居住在太空中不切實際,但建造房屋,尤其是在月球上建造房屋,對執(zhí)行太空任務(wù)的宇航員來說是有益的。 歐洲航天局 (ESA) 的目標(biāo)是使用月球風(fēng)化層在月球上建造圓頂,可用于建造墻壁或磚塊以保護宇航員免受輻射。 根據(jù) ESA 的 Advenit Makaya 的說法,月球風(fēng)化層由大約 60% 的金屬和 40% 的氧氣組成,是宇航員生存必不可少的材料,因為如果從這種材料中提取,它可以提供取之不盡的氧氣來源。

NASA 已向 ICON 撥款 5720 萬美元,用于開發(fā)用于月球表面建造的3D打印系統(tǒng),并且還與該公司合作創(chuàng)建一個名為Mars Dune Alpha的火星家園。 目標(biāo)是測試火星上的生活條件,讓志愿者在家里生活一年,以模擬紅色星球上的條件。 這些努力代表了直接在月球和火星上建造3D打印結(jié)構(gòu)的重要步驟,這最終可能為人類太空殖民鋪平道路。


在遙遠的未來,這些房子可以讓生命在太空中生存