3D打印衛(wèi)星傳感器經(jīng)證實與傳統(tǒng)工藝性能完全一致，且更具成本優(yōu)勢

2022年7月31日，南極熊獲悉，麻省理工學院為軌道航天器，創(chuàng)造了第一個完全由3D打印制造的等離子體傳感器，它們極具成本優(yōu)勢。這些等離子體傳感器，也稱為延遲電位分析儀(RPA)，被衛(wèi)星用于確定大氣的化學成分和離子能量分布。

△麻省理工經(jīng)過實驗，3D打印對比傳統(tǒng)工藝衛(wèi)星傳感器更具有成本優(yōu)勢

3D打印和激光切割的等離子傳感器，在硬件性能表現(xiàn)上完全一致，但后者是在無塵室中制造的，這使得它們價格昂貴，并且，需要數(shù)周的復雜制造。相比之下，3D打印的傳感器可以在幾天內(nèi)以幾十美元的價格生產(chǎn)。

由于3D打印技術(shù)，成本低和生產(chǎn)速度快，因此，該技術(shù)非常適合用于制造衛(wèi)星傳感器。這些廉價、低功耗和輕量級的衛(wèi)星，通常用于地球高層大氣的通信和環(huán)境監(jiān)測。

△在RPA中，等離子體穿過一系列帶電的網(wǎng)格，網(wǎng)格上點綴著小孔。當?shù)入x子體穿過每個網(wǎng)格時，電子和其他粒子被剝離，直到只剩下離子。此圖顯示了網(wǎng)格如何安裝在RPA外殼內(nèi)

研究人員，使用一種玻璃陶瓷材料開發(fā)了RPA，這種材料比硅和薄膜涂層等傳統(tǒng)傳感器材料更耐用。通過將玻璃陶瓷用于為3D打印塑料而開發(fā)的制造工藝，他們能夠創(chuàng)造出具有復雜形狀的傳感器，能夠承受航天器在低地球軌道上遇到的廣泛溫度波動。

麻省理工學院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室（MTL）的首席科學家，等離子體傳感器論文的高級作者Luis Fernando Velásquez-García 說：“3D打印技術(shù)，可以為未來的空間硬件帶來巨大的變化。有些人認為，當你3D打印的東西，你必須犧牲一定的性能。但是，經(jīng)過我們證明，情況并非總是如此。有時，沒什么不一樣的�！�

△該研究已發(fā)表在增材制造上，題目為《玻璃陶瓷大桶聚合技術(shù)用于制造，立方體衛(wèi)星和實驗室使用的緊湊型緩釋電位分析器》（點我傳送門）

多用途的傳感器
1959年，RPA首次被用于太空任務(wù)中。這些傳感器探測漂浮在等離子體中的離子或帶電粒子的能量，等離子體是存在于地球高層大氣中的分子的過熱混合物。在像立方體衛(wèi)星這樣的軌道航天器上，這些多功能的儀器測量能量并進行化學分析，可以幫助科學家預測天氣或監(jiān)測氣候變化。

這些傳感器包含一系列帶電的網(wǎng)狀物，上面點綴著小孔。當?shù)入x子體通過這些孔時，電子和其他粒子被剝離，直到只剩下離子。這些離子產(chǎn)生電流，傳感器對其進行測量和分析。

RPA成功的關(guān)鍵是對準網(wǎng)格的外殼結(jié)構(gòu)。它必須是電絕緣的，同時也能承受溫度的突然劇烈波動。研究人員使用了一種可打印的玻璃陶瓷材料，它顯示了這些特性，被稱為Vitrolite。

Vitrolite在20世紀初開創(chuàng)了先河，經(jīng)常被用于彩色瓷磚，成為裝飾藝術(shù)建筑中常見的景觀。

這種耐用的材料還可以承受高達800攝氏度的溫度而不分解，而用于半導體RPA的聚合物在400攝氏度時就開始融化。

Velásquez-García：“當你在潔凈室中制作這種傳感器時，你不能隨意按照自己的想法來設(shè)計它們的結(jié)構(gòu)，但是3D打印突破了這項限制。”

△該圖顯示了一項實驗，在該實驗中，研究人員設(shè)置了他們的RPA，將其表征為離子能量分布傳感器

對制造的重新思考
陶瓷的3D打印過程通常涉及陶瓷粉末，用激光將其熔化成形狀，但這一過程往往使材料變得粗糙，并由于激光的高熱而產(chǎn)生薄弱點。

相反，麻省理工學院的研究人員使用了大桶聚合，這是幾十年前引入的一種用于聚合物或樹脂的增材制造的工藝。在大桶聚合法中，通過將三維結(jié)構(gòu)反復浸入液體材料的大桶中，在這種情況下是Vitrolite，一次建立一層。在每一層加入后，紫外線被用來固化材料，然后將平臺再次浸入大桶中。每一層的厚度只有100微米（大約是人類頭發(fā)的直徑），能夠創(chuàng)造出光滑、無孔隙的復雜陶瓷形狀。

在數(shù)字制造中，設(shè)計文件中描述的物體可以非常復雜。這種精度使研究人員能夠創(chuàng)建具有獨特形狀的激光切割網(wǎng)格，以便在RPA外殼內(nèi)設(shè)置孔時完美地排成一排。這使更多的離子能夠通過，從而導致更高分辨率的測量。

由于傳感器的生產(chǎn)成本很低，而且可以快速制造，該團隊制作了四個獨特的設(shè)計原型。

其中一種設(shè)計在捕捉和測量廣泛的等離子體方面特別有效，就像衛(wèi)星在軌道上遇到的那些等離子體一樣，而另一種設(shè)計則非常適合于感應(yīng)極其密集和寒冷的等離子體，這些等離子體通常只能用超精密的半導體設(shè)備來測量。   

這種高精度可以使3D打印的傳感器，應(yīng)用于聚變能源研究或超音速飛行。Velásquez-García補充說，獲得了快速原型制作能后，甚至可以刺激衛(wèi)星和航天器設(shè)計方面的更多創(chuàng)新。

"如果你想創(chuàng)新，你需要能夠失敗并承擔風險。3D打印技術(shù)是制造太空硬件的一種不可或缺的方式。我可以制造太空硬件，如果它失敗了，也沒有關(guān)系，因為我可以非�？焖俸土畠r地制造一個新的版本，并真正迭代設(shè)計。他說："這對研究人員來說是一個理想的設(shè)計模式。

雖然Velásquez-García對這些傳感器很滿意，但在未來，他希望繼續(xù)改進該工藝。在玻璃陶瓷大桶聚合中減少層的厚度或像素大小，可以創(chuàng)造出更加精確的復雜硬件。此外，完全采用3D打印的傳感器將使它們與空間制造兼容。他還希望探索使用人工智能來優(yōu)化傳感器的設(shè)計，以滿足特定的使用情況，例如大大減少其質(zhì)量，同時確保它們在結(jié)構(gòu)上保持良好。