JPL公布2022年三大增材制造應用亮點：航天器天線、電磁屏蔽器和金屬織物

2023年4月11日，南極熊獲悉，JPL機構公布了2022年度取得的重要技術突破，這也是新主任Laurie Leshin（2022年5月16日正式上任，接替2021年8月退休的Michael Watkins）和新的首席技術專家Tom Cwik博士的第一次亮相。

美國宇航局噴氣推進實驗室的高級研究科學家（SRS）和負責人、全球增材制造行業(yè)的知名人士道格拉斯-霍夫曼指出，JPL增材制造的研究亮點主要體現(xiàn)在三個項目上：

• 第一個項目是用于航天器天線的3D打印鋁反射器，其具有拓撲優(yōu)化的背襯結構以實現(xiàn)熱穩(wěn)定性。這是由Paul Goldsmith領導的，大部分的打印工作由技術灌輸組的Ryan Watkins完成。
• 第二個項目是定向能量沉積（DED）高性能磁屏蔽的開發(fā)，這種技術允許用磁性材料（如 mumetal）和用于磁性應用的功能梯度多金屬合金生產復雜的形狀，這項工作是由Samad Firdosy領導的。
• 最后一個項目是霍夫曼與加州理工學院在《自然》雜志上發(fā)表了一項關于干擾3D打印織物的工作。這項工作在Tent Bordeenithikasem的領導下，在與加州理工學院的新合作中獲得了新的生命，即利用打印織物制造形狀改變的天線。
  

霍夫曼說："增材制造在美國宇航局的航天器和漫游車上的應用仍有許值得探索的地方。除了火星車上的打印部件外，JPL在增材制造方面取得的最大成就之一是建立了鋁和鈦部件的LPBF工藝，使得打印部件能夠滿足飛行要求。這將允許我們能夠為航天器和漫游車打印零件，也能幫助美國宇航局其他中心的工作。"

航天器上的3D打印織物

JPL已經開發(fā)出一種新的3D打印織物，在太空中部署后可以硬化變成所需的形狀。這些形狀變形材料的靈感來自于鏈式裝甲，通過打印互鎖的薄片單元來制造，這些單元可以各自獨立地移動一小段距離，允許定制配置，非常適合特定用途。然后，這些靈活的薄片可以被卷起或折疊成非常小的尺寸，以便裝入火箭整流罩進行發(fā)射。創(chuàng)建一個可變形的結構需要對最終的剛性結構有一個大致但未必精準的了解，以及設計適當?shù)幕ユi單元。

片材可以在其柔性狀態(tài)下被塑形，并且可以通過改變壓力來調整剛度，以達到所需的形狀。然后，當相鄰的片材卡在一起時，就會對它們施加力，使其互鎖成一個最終的剛性結構。這些結構性織物在美國宇航局的任務和消費產品中都有許多潛在的應用。它們可以被用作可部署的輻射器、天線、太陽能電池板、輻射防護毯或微流星體防護罩。它們還可以作為暴露在長期微重力環(huán)境下的宇航員的身體塑形外骨骼。

在地球上，這種結構性織物可用于醫(yī)療保健領域，作為自適應石膏，在受傷愈合時調整其硬度，或作為消防員或士兵的吸收沖擊的衣服。它們具有可折疊和可收放的特點，一旦進入太空就會展開成更大的剛性形狀，這將導致形成更大的、可定制的部件，以獲得最佳性能。

增材制造電磁屏蔽裝置

使用送粉固結技術制造的多材料磁屏蔽裝置極大改善了屏蔽性能。隨著美國宇航局的機器人航天器探測來自恒星、行星和其他目標的微弱信號的能力越來越強，它們也對來自諸如反應輪、電動馬達和冷卻系統(tǒng)等機載機械的干擾也越來越敏感。

例如，任何使用電動馬達的東西，對敏感的磁力計來說都是一個問題。在傳統(tǒng)的設計中，電子 "噪音 "設備被金屬外殼所屏蔽。使這些設計復雜化的是需要創(chuàng)造復雜的形狀，以最大限度地提高電磁屏蔽的有效性，而這些復雜的設計可能非常難以制造。JPL所使用的新技術正在充分利用增材制造的優(yōu)勢，能夠比以前更快、更容易地創(chuàng)造出更好的磁屏蔽裝置。

JPL所使用是一種被稱為送粉激光沉積的工藝，它是通過惰性氣體將金屬粉塵從噴嘴中導出，隨后進入一個高功率激光器所發(fā)射的高能光束中完成熔化和沉積。由此產生的熔化的金屬塊與新出現(xiàn)的部件相融合，在計算機控制下逐層建立起來。通過改變粉末的成分，不同的金屬合金可以被沉積在它們最有效的地方。這使我們能夠創(chuàng)造出用任何其他方法都無法制造的奇特部件，而且所需的時間遠遠少于目前的工藝。其結果是以更小的質量和更低的成本實現(xiàn)更有效的屏蔽性能，從而制備出性能更優(yōu)的航天器，且比傳統(tǒng)方法生產的任何同類部件都要更小更輕。

增材制造天線

在2022年的另一項JPL技術亮點中，他們采用增材制造技術開發(fā)了一種具有高性能、熱穩(wěn)定性的天線，可應用到天文領域和遙感領域。為航天器和高空氣球設計和制造天線是很困難的。就其本質而言，天線是笨重的，建造它們以承受飛行的壓力并保持尺寸的穩(wěn)定性一直是一個挑戰(zhàn)。此外，用于各種地球觀測、行星科學和天文學應用的亞毫米級天線也可能是脆弱的。由于它們在微小的波長上工作，它們必須沒有最微小的缺陷才能正常工作，并能在廣泛的溫度范圍內工作。

傳統(tǒng)上，這些天線的制造是使用玻璃形式來創(chuàng)建天線的表面，在其上沉積一層薄的反射材料，如鎳。然后將一個由金屬蜂窩或條帶制成的支撐結構粘在背面。這個過程非常耗時和嚴格，而且容易出現(xiàn)制造錯誤。由此產生的天線在極端溫度下工作時也有潛在的缺點，因為材料的膨脹和收縮速度不同，會給天線帶來應力，并可能出現(xiàn)不均勻的變形。

JPL的工程師們正在試驗一種新的工藝，這種工藝涉及到增材制造。該工藝不僅成本低，可以很容易地適應不同的應用，并且可以直接完成制造。這種新方法使用單一的材料來創(chuàng)建支撐結構和反射表面，從而大大簡化了制造過程和單一的膨脹系數(shù)，使得整個裝置對溫度變化的反應是一致的。這導致天線上的應力更少，變形更小，在使用過程中能夠提供極優(yōu)的信號。

通過使用鋁粉打印天線，可以在輕量化的基礎上創(chuàng)造出更復雜的天線設計，從而獲得使用傳統(tǒng)制造技術無法制造的復雜優(yōu)化形狀。通過使用復雜的設計軟件，天線的支撐組件可以根據(jù)需要做得更薄或更厚，這有助于進一步促進更高性能、更高效設計的實現(xiàn)。