ORNL和NASA 3D 打印月球車輪原型，大幅提升復(fù)雜太空零部件生產(chǎn)效率

2023年10月9日，南極熊獲悉，美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL)和 NASA 的研究人員利用3D 打印仿制了一個與 NASA 機(jī)器人月球車類似的車輪，這一成果展示了3D打印技術(shù)在制造太空探索核心專用部件方面的潛力。

3D打印的車輪是仿造了NASA計劃在2024年部署的探索月球南極冰和其他資源的機(jī)器人VolatilesInvestigating Polar Exploration Rover（VIPER）月球車上所使用的設(shè)計。VIPER 的任務(wù)將幫助科學(xué)家了解月球水的來源、分布和潛在的收集能力，以支持人類居住。

△NASA 機(jī)械設(shè)計工程師 Richard Hagen（左）和 ORNL 研究員 Michael Borish 檢查在制造演示設(shè)施 3D 打印的月球車輪原型。圖片來源：Carlos Jones，ORNL/美國能源部。

盡管此次打印的車輪原型并非注定要登上月球，但它符合 NASA VIPER 輪子的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步的測試將評估這種設(shè)計及其制造方法，以用于未來的太空任務(wù)。

增材制造可以減少能源消耗、材料浪費(fèi)和交貨時間，還支持復(fù)雜的設(shè)計并允許定制材料屬性。美國能源部的制造示范設(shè)施 (MDF) 十多年來一直引領(lǐng)此類技術(shù)，并于 2022 年使用獨(dú)特的 3D 打印機(jī)開發(fā)了車輪原型。這臺打印機(jī)的大小足以容納一個人，它部署兩個同步激光器和一個旋轉(zhuǎn)的構(gòu)建板，以選擇性地將金屬粉末熔化成所需的結(jié)構(gòu)。與標(biāo)準(zhǔn)金屬粉末床系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)能夠連續(xù)工作，允許各個制造過程同時發(fā)生。

△打印流動輪原型的團(tuán)隊(duì)成員在激光粉末床打印機(jī)前展示了在 MDF 中創(chuàng)建的結(jié)果。圖片來源：Carlos Jones，ORNL/美國能源部。

負(fù)責(zé)新型激光粉末床熔融系統(tǒng) MDF 開發(fā)的 Peter Wang 說道：“在相同的激光功率下，這大大提高了生產(chǎn)率，沉積速度提高了50%。我們只是觸及了該系統(tǒng)功能的皮毛。我真的認(rèn)為這將是激光粉末床打印的未來，尤其是大規(guī)模和批量生產(chǎn)�！� Wang和項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員最近發(fā)表了一項(xiàng)研究，分析了電動機(jī)等打印組件技術(shù)的可擴(kuò)展性。該研究以題為“Improved Productivity with Multilaser Rotary Powder Bed FusionAdditive Manufacturing”的論文被發(fā)表在《3D Printing and AdditiveManufacturing》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/3dp.2022.0288

Wang 強(qiáng)調(diào)，打印機(jī)的獨(dú)特性與團(tuán)隊(duì)在自動化和機(jī)器控制方面的專業(yè)知識相匹配。研究人員利用橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的軟件將車輪的設(shè)計分割成垂直部分——在兩個激光器之間均勻分配工作——從而實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)率。這種方法利用了最近提出的專利計算技術(shù)。

該車輪原型由鎳基合金制成，寬度為 8 英寸，直徑為 20 英寸，比通常使用金屬粉末系統(tǒng)打印的零件要大。使用 3D 打印，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的輪圈設(shè)計，沒有額外的成本或制造挑戰(zhàn)。相比之下，VIPER 的輪子即將在月球上滾動，需要經(jīng)歷大量的制造和組裝程序，這使得它們的生產(chǎn)流程變得復(fù)雜且耗時耗力。

△盡管為車輪提供了更復(fù)雜的輻條圖案和輻條鎖定功能，但 3D 打印簡化了車輪設(shè)計并降低了成本，并使最終組裝變得更加容易。圖片來源：CarlosJones，ORNL/美國能源部。

美國宇航局機(jī)械設(shè)計工程師兼休斯敦美國宇航局約翰遜航天中心增材制造實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理理查德·哈根說：“許多車輪特征的加入只是為了強(qiáng)調(diào)增材制造的用途，它可以讓您輕松實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工具甚至傳統(tǒng)加工零件難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計功能�！�

如果 3D 打印的車輪與傳統(tǒng)制造的車輪的堅(jiān)固性相匹配，未來的漫游者可能會選擇這種單打印輪圈，該輪圈在 ORNL 只花了 40 個小時就生產(chǎn)出來。3D 打印工藝引入了傾斜側(cè)壁、圓頂形狀和波浪形胎面等功能，從而增強(qiáng)了車輪的剛度。

△增材制造允許將精細(xì)的設(shè)計細(xì)節(jié)（例如圓頂形狀的波浪胎面）納入原型月球輪中。圖片來源：Carlos Jones，ORNL/美國能源部。

然而，3D 打印的車輪也有局限性。該打印機(jī)僅適用于特定材料，因此當(dāng)打印厚度相似時，3D 打印的車輪要比 VIPER 的鋁制車輪重 50%。NASA 打算在 NASA 約翰遜航天中心或?qū)ｉT的測試設(shè)施的流動站上測試這種 3D 打印車輪的性能，評估各種性能指標(biāo)。

作為NASA機(jī)構(gòu)阿耳忒彌斯計劃的一部分，在月球上建立的載人研究站將需要地外制造能力。哈根說：“能夠在太空中制造維修零件非常重要，因?yàn)槟銦o法獲得足夠的備件，用于打印的粉末、顆�；蜷L絲更容易包裝，并且具有更大的靈活性�！�

△橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室 MDF 的研究人員監(jiān)測了原型月球輪的打印過程，同時用兩束激光熔化金屬粉末來建造它。圖片來源：Carlos Jones，ORNL/美國能源部。

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室火星車輪項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人布萊恩·吉布森 (Brian Gibson) 說：“增材制造提供了靈活性，如果你有原料，你就可以制造你需要的任何替換零件，無論是在太空還是在地球上�！�

這就是增材制造引起了一系列替代需求的極大興趣的原因，從快速制造的模具到難以采購的鑄件和鍛件。對于太空探索和居住，3D 打印機(jī)未來甚至可以使用來自月球或火星的當(dāng)?shù)夭牧献鳛樵�料，從而生產(chǎn)出我們想要的工具。