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我们的征程是星辰大海!一窥 "毅力号"火星车的3D打印部件

发布时间:2021-01-12 10:14:13 | 人气:63

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江苏激光联盟导读:

我们的征程是星辰大海!将3D打印部件送往火星:本文带领大家一窥NASA喷气推进实验室增材制造中心和毅力号火车中的3D打印部件。


据《环球时报》报道,截至1月3日6时,中国天问一号火星探测器已经在轨飞行163天,飞行里程突破4亿公里,距离地球约1.3亿公里,距离火星约830万公里。美国“毅力”号火星探测器预计将于2月18日抵达火星并开始着陆程序。它带有美国发射的第五辆火星车,美国航空航天局(NASA)希望它能找到火星存在生命的证据。“毅力”号计划在火星的杰泽罗陨石坑着陆。美国天体生物学家雪莉·卡迪表示,“毅力”号是科学家了解这个红色星球上是否有生命的最佳机会。据介绍,它的主要任务是对火星远古时期的宜居性进行评估、寻找火星上的微生物痕迹。为此,“毅力”号将利用机械臂钻探火星土壤和沉积物样品,并将其封存起来,以备将来由其他火星任务带回地球,成为“有史以来第一次从火星返回的样本”。

而最近,美国NASA的喷气推进实验室( Jet Propulsion Lab,JPL)则密集发布了一系列关于3D打印部件的故事,这些部件伴随着"毅力号"火星探测器进行了着陆探测..毅力号火星探测器中由11类部件采用了3D打印技术进行制造.这并不是第一次探空探测中使用3D打印的部件,但却是JPL第一次使用3D打印的部件来组成的太空探测所使用的运动部件

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▲毅力号火星探测器,携带有3D打印的部件,安装在机械手臂的末端的精密X射线光谱仪(PIXL)和MOXIE的船体右舷上



 为了进一步的一窥航天飞行器中经过质量合格的部件长什么样,并且来探究采用增材制造相比较于传统的减材制造技术的合理性,我们走进NASA的喷气推进实验室( Jet Propulsion Lab,JPL)并且和Andre Pate进行了亲密的接触。Andre Pate是增材制造小组的领导者,而Michael Schein则是发射任务的主要科学仪器测量设备的工程师的领导者。他们两人均非常和蔼的给了我们足够的时间来向他们请教问题和非常客气的让我们领教了非常冷酷的JPL中采用增材制造打印的部件,并且还找到将来那些产品适合3D打印和适合航天飞行器的应用。

你将会领教到MOXIE的!

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毅力号火星探测器 再室内和室外的情景


我们曾经对2020年的火星探测抱有极大的热情,大家对这一伟大的工程背后运动的天体生物学和地理学实验室非常感兴趣,其中毅力号火星探测器尤其异常引人瞩目。此外,作为自适应样本缓存系统的深潜工作,将会对火星表土的秘密进行密封,最终的样品会带回到地球进行研究解密,而且,非常聪明的,这是第一个设计的飞行器在地球之外进行工作。我们会扼要介绍一下毅力号火星探测器,该探测器将会携带所有这些装备在火星上进行探测。这一火星探测器中的科学探测任务预定完成的任务将会改变我们对火星的认知,并且会帮助我们首次发现外太空生命的确凿证据。

为了完成这一探测任务,毅力号火星探测器包括大量复杂的仪器,火星探测器部件中的两个主要部分就是3D打印的。用于X射线岩石化学成分分析的设备(X-ray Lithochemistry or PIXL),被设计成用于深度的探测火星岩石中是否存在生物化石的信号火星的氧气原位资源供应装置(Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, or MOXIE),设计成用来从火星的大气环境中制造出源源不断的的氧气,支撑对火箭的加油和用于返回地球。这两个主要部件均包含采用先进的金属3D打印技术所制造的部件,这两者均是在JPL的增材制造实验室完成的。

材料和工艺

此外,除了比较典型的聚合物打印之外,聚合物的打印主要用于原型和打印一些固定用的装置和夹具等,JPL的室内增材制造实验室具有非常广泛的技术用来打印金属部件。依据形态的不同和部件应用的场景不同来决定使用何种技术进行打印。JPL同时还可以安排外部的制造供应商来帮助他们打印一些在他们实验室不能打印出来的精密部件。

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在JPL增材制造实验室中心采用直接能量沉积技术用来打印的一个部件

 对于非飞行部件,JPL团队使用较多的是能量直接沉积技术(directed-energy deposition,DED),听起来属于一种比较酷的3D打印技术。DED主要取决于高能束,如激光或者电子束,来熔化粉末或者丝材。高能束能量熔化粉末或丝材形成熔池,然后层层生长打印出所需要的部件。DED技术同电弧焊或者激光熔覆比较类似,辅之CNC控制打印头和内部的减少氧气的环境来进行打印。DED在打印时具有相对快的制造速率和相对精细的制造特征,同时在打印完毕后不需要额外的机加工或冲压等后续工艺。

DED打印工艺的另外一个优势在于可以打印梯度合金材料。在JPL实验室的 DED打印机时一个型号为RPM 222XR的设备,可以在一次打印时同时打印四种不同的材料。这一点同 FDM 打印时可以在一次打印时供应多种丝材并打印出不同颜色或者不同的材料相类似。但DED甚至可以工作的更好,因为它可以打印梯度变化的材料,此时制造的部件来源于多种粉末,在部件的不同区域具有不同的而冶金性能。例如,论好奇心,一个促动器的钢轴会由于磁性编码器的原因造成错误。通过打印的该轴将磁性敏感的部分使用非磁性的钢铁材料进行打印,从而就可以避免这一问题了。

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FDM的全彩色产品,医疗模型


对于在JPL构建的航天飞行器中飞行的部件,并不会使用室内的DED设备进行打印。相反,JPL倾向于使用铺粉的打印设备(SLM)来打印高质量的部件。这一打印家族中的另外一种设备,包括SLM 和DMLS等。 

在所有爱好者等级的聚合物打印办法中,我们变得习惯于粉末床打印的技术,这一技术大概率是最接近采用立体光刻技术进行树脂的打印,简称SLA。SLA打印使用光来聚合光敏感的树脂,尽管来说,粉末床打印的技术是使用高能束来黏结或熔化在表面的一薄层粉末,粉末层层堆积、层层熔化、高能束可以采用激光束,也可以采用电子束,JPL并没有采用室内的激光束来进行打印,而采用了电子束进行打印,这一打印是由供应商来完成的。

不管采用何种能量源进行打印,这里依然存在大量的工程问题需要解决,如控制粉末床进行打印,因为打印的质量同粉末床的厚度密切相关。当一层粉末打印完毕时,制造平台就会在程序的控制下提升一个高度。在打印的时候,需要有更多的粉末加入到粉末室中,在一个复杂的刮刀的作用下来保证新鲜粉末的均匀铺展,以确保下一层粉末被打印。打印构建一层在一次完成后直到最终的松散粉末被移出,清理掉任何支撑结构,然后准备进行后续的加工。

后续加工

热等静压,简写为HIP,是一个长期应用于粉末冶金工业中对部件进行最终处理的工艺,例如,压铸的挤压工艺或者金属诸如模具工艺,在最近应用于金属的增材制造的处理.部件在增材制造的时候不可避免的的存在气孔等缺陷,不管用于制造的粉末如何精细,气体总会在结构中存在.HIP则致力于将这些气泡挤走,使用一个组合的极端的高温,如最高2,000°C和极端的压力,也许会达到100 MPa甚至更高,使用的保护气体为氩气。

部件在经历HIP处理时会经受一部分的压缩。这就需要在设计的阶段给予充分考虑,但HIP比常规的热压工艺要有优势,这是因为施加的压力只针对部件,其压缩时在各个方向同时进行的。这一趋势避免了尺寸的变形,而传统的压力使用的是铁砧来施加到部件上的。

另外一个需要在增材制造过程中给予考虑的是飞行器中所使用的金属增材制造产品是属于"铸造厂的内部检验"的问题。对于传统的减材制造,开始的材料是块体的金属,已经经历了铸造过程.金属要么经过了铸造,挤压或者锻造,经历了热处理和回火,从而具有众所周知的性能,如强度、韧性和硬度等。同时它还有可能通过X射线来揭示可能隐藏的缺陷。它的晶体结构或多或少属于固定的,并且剩下的工作就是移除不需要的部分,使得需要的部分保留下来。

对于增材制造、金属部件最终的结果并不容易进行表征.此时的开始材料的晶体结构在减材制造时是排列的非常好的,能量意味着需要在打印的过程中使开始的材料的微观结构发生显著的变化。因此,"铸造厂的内部检验"的问题,对金属的3D打印来说,就需要从头开始。对于飞行的质量认证部件、其价值在飞行时都是以数亿美元来计算的,因此工程人员需要解释3D打印部件过程中所经受的混乱的,能量充沛的区域,然而,简单的来说,在他们的火热的出生的时候就需要解决。这就增加了它的不确定性,但由于增材制造技术的柔性,这是做生意时需要另外考虑的一个成本问题,同样受到航天的青睐。

减材制造Vs增材制造

我曾经反复的咨询过分析师,如何确定一个部件是采用增材制造还是减材制造。深入了解之后,我假设成本会成为第一个驱动的的因素。NASA和JPL做了大量的工作使得航天探测站的成本大为下降,并且他们的预算也一贯的反应了所需要做的事情会更多。并且当你观察一个部件的时候,当使用减材制造的时候,大约90%的材料变成了碎片,而增材制造则看起来要非常节省材料。毕竟,如果一个部件可以使用大体积的材料来进行制造,而且最终的产品同原始的材料非常接近的话,其成本花费的问题就不得不考虑了。

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精密X射线光谱仪(PIXL) 的前盖,是毅力号火星该探测器的11种3D打印的部件之一

▲图解:增材制造使得这一部件的制造变得可能,而使用传统的减材制造将会高昂得令人难以承受而被禁止了


结果证明我错了。当一个部件设计成为火星着陆器飞行部件的时候,在是否采用增材制造的时候,成本几乎不会被考虑。增材制造通常被认为是一个使能技术,只是用来制造采用其他方法不易制造或者不能制造的产品。前面提到的梯度合金的轴就是一个比较完美的例子:混合了不同的冶金性质在一个部件当中,这是传统技术几乎不能制造出来的,除了增材制造之外。另外一个例子就是一个部件在采用其他工艺不可行的时候,而只有增材制造的部件可以最大程度的实现,或者是特殊的冷却通道和需要制造冷却通道的场合。这类部件采用减材制造是非常困难的,但采用3D打印却易如反掌。

另外一个让增材制造放射光芒的领域就是再制造旧部件。我们几乎都听说过,我们从来没有听说将阿波罗项目的F1发动机给予翻新再利用,这是因为专业技术的缺失和特殊工具的不存在,使得我们不能对其进行再制造。这似乎意味着大量的复杂的发动机就不能被翻新。但增材制造技术却经常被用来制造出以前不能制造的部件。而JPL在这一领域所作的工作并不多,他们正忙着为未来而工作,并且,其他的部门,如美国的空军,需要保证他们的战斗机在服役60年之后仍然能够重返蓝天,正在经常干这件事。他们通过常规的扫描部件,经常使用的是CT扫描仪,然后由长期不存在的供应商来确定是否可以让这些飞行器进行飞行。

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精密X射线光谱仪(PIXL) 的前盖,是毅力号火星该探测器的11种3D打印的部件之一


对于柔性的和功能强大的增材制造技术在航天中的应用,你可以想象在这一工业中成群结队的现象。而当他们在一定程度上时,在大量的途径中它仍然是一个非常保守的行业,随着怀疑主义的激进的变革而变得更加理性。当正如增材制造技术正在持续的使得部件的制造从以前的不可能变为可能,JPL也正在不断增加使用以前不能制造的部件获得成功的发射。这都证明它本身和不断强化增材制造技术作为所有任务的首选。

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毅力号火星车中3D打印的MOXIE部件的X射线影像图

▲图解:这一X射线影像图表明了毅力号火星车的MOXIE的科学探测仪器的3D打印的热交换器的内部情况.X射线影像经常用来检查部件的缺陷



据江苏激光联盟了解,“天问一号”火星探测器安装使用了超过100个3D打印定制的零部件,其中包含相当一部分的金属3D打印零件(如钛合金等),具有高强度耐高温耐辐射等各种高性能特征,可以满足在火星恶劣环境中正常工作运行的要求。高能离子浮尘、空间碎片,要考虑结构的性能和特点,深空探测器结构包括高刚度、轻量化、尺寸稳定性、拓扑优化等等需求。具体介绍请关注江苏激光联盟的后续报道。

本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品,如需转载请标明来源,谢谢合作支持!

江苏激光联盟综合自:Hackaday、NASA、环球时报、白令三维、南极熊等

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