歐洲航天局支持3D打印無摩擦齒輪項(xiàng)目

2023年8月30日，南極熊獲悉，瑞士電子和微技術(shù)中心（CSEM）與金屬3D打印專家3D Precision and Space以及航空航天中小企業(yè)Almatech SA合作，將共同設(shè)計(jì)、3D打印和測試一種名為順應(yīng)旋轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)（CRRM）的高性能不銹鋼一體化齒輪系統(tǒng)。

△3D打印的順應(yīng)旋轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)（CRRM）

目標(biāo)取消“潤滑”

CRRM是一種無摩擦齒輪機(jī)構(gòu)，采用高性能不銹鋼材料通過3D打印一體化制造而成。該齒輪系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)航空航天部件（如推進(jìn)器、傳感器、望遠(yuǎn)鏡鏡頭或鏡子）的精確旋轉(zhuǎn)，最重要的是它無需潤滑劑。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，CRRM采用了彎曲或“彈性變形”的設(shè)計(jì)，包含24個(gè)可彎曲葉片，其中16個(gè)是互鎖的。

該項(xiàng)目于2018年啟動(dòng)，由歐洲航天局（ESA）通用支持技術(shù)計(jì)劃（GSTP）資助。CRRM的設(shè)計(jì)由CSEM負(fù)責(zé)，3D Precision負(fù)責(zé)進(jìn)行3D打印制造，性能測試則由Almatech SA進(jìn)行。

歐空局技術(shù)官員Paolo Zaltron解釋說：“可變形部件和剛性部件被構(gòu)建為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，避免了任何耗時(shí)的組裝和對(duì)準(zhǔn)。”他還指出，這些部件的非常規(guī)形狀突破了3D打印技術(shù)的界限，是先進(jìn)優(yōu)化技術(shù)的成果，將帶來了前所未有的高靈活性和輕量化優(yōu)勢。

△3D Precision開發(fā)的金屬3D打印零部件

3D打印無摩擦齒輪

在太空應(yīng)用中，使用潤滑劑可能會(huì)導(dǎo)致精密系統(tǒng)受到不必要的污染，引起磨損，從而縮短組件的整體使用壽命。因此，無需潤滑的無摩擦結(jié)構(gòu)特別具有市場前景。

盡管柔順機(jī)構(gòu)在太空應(yīng)用中被廣泛使用，通常用于需要零摩擦運(yùn)動(dòng)的場合，但其設(shè)計(jì)和制造具有挑戰(zhàn)性。這是因?yàn)檫@些機(jī)構(gòu)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，由各種精密零件組成，傳統(tǒng)上需要進(jìn)行加工、驗(yàn)證、對(duì)齊和固定。

3D打印在這些機(jī)構(gòu)的制造中具有顯著優(yōu)勢，包括設(shè)計(jì)自由度以及能夠制造復(fù)雜整體形狀而無需任何組裝要求的可能性。據(jù)稱，如果不使用增材制造，CRRM無法在如此小的體積內(nèi)集成24個(gè)撓性葉片，以形成交叉樞軸和八個(gè)中間級(jí)。此外，借助3D打印的優(yōu)勢，彎曲結(jié)構(gòu)之間無需對(duì)齊即可確保適當(dāng)?shù)碾娪靶Ч��?br />

△在另一個(gè)案例中，人們使用3D打印為軌道火箭開發(fā)熱交換器組件

為了設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)還結(jié)合了參數(shù)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。據(jù)說這種組合顯著改善了零件的質(zhì)量和特征頻率，提供了超過550 Hz的第一特征模態(tài)。最終，CRRM可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減少10倍，對(duì)于掃描、指向、校準(zhǔn)或翻轉(zhuǎn)鏡機(jī)構(gòu)特別有用。

盡管整個(gè)項(xiàng)目的總體結(jié)果被認(rèn)為是令人鼓舞的，但由于制造和測試過程中使用的寬板模型存在失真，導(dǎo)致性能和壽命測試的結(jié)果并不理想。

△有關(guān)測試過程的完整結(jié)果以及CRRM開發(fā)和制造的更多信息，請(qǐng)參閱CEAS太空雜志

雖然，CRRM項(xiàng)目還在進(jìn)一步的研究和開發(fā)中，但該項(xiàng)目的進(jìn)展對(duì)于航天技術(shù)和3D打印技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，有望為未來的航天探索和工程應(yīng)用帶來更多創(chuàng)新和突破。