NASA：為用于太空任務(wù)的激光器，3D打印安裝支架

2022年7月2日，南極熊獲悉，SpaceX的第25次商業(yè)補(bǔ)給服務(wù) (CRS-25) 任務(wù)將為國際空間站 (ISS) 的工作人員提供新的科學(xué)研究支持、補(bǔ)給和設(shè)備，其中包括3D打印的電鍍支架。這個(gè)支撐部件是由美國宇航局制造的，用于安置新的激光器，以確定其星上巖石的年齡。進(jìn)入國際空間站后，研究人員還會(huì)對3D打印部件進(jìn)行測試，包括將其暴露于外太空等操作。


尺寸小性能高的激光器
在馬里蘭州美國宇航局 Goddard Space Flight Center 最近發(fā)表的一篇文章中，該機(jī)構(gòu)談到了此次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)和國際空間站正在進(jìn)行的工作，以及3D打印將對項(xiàng)目進(jìn)展產(chǎn)生的作用和影響。根據(jù)該機(jī)構(gòu)在《CuttingEdge 2022 年春季刊》上發(fā)表的內(nèi)容，Goddard 物理學(xué)家Barry Coyle開發(fā)的激光填補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的空白，為未來的行星任務(wù)提供了一種強(qiáng)大而小巧的輕量級工具，可以探索其他行星的形成方式。此外，這個(gè)手掌大小的激光器對于小型漫游車和著陸器至關(guān)重要，可減少任務(wù)預(yù)算。

Coyle對激光的興趣可以追溯到1980 年代，當(dāng)時(shí)他在South Carolina的Charleston大學(xué)中物理學(xué)教授Fred Watts的激光實(shí)驗(yàn)室工作，覺得激光很難。他在2021年10月，于Goddard研究其他太空激光器時(shí)，在美國宇航局的一篇帖子中思考過為什么將激光組裝在一個(gè)地方對生產(chǎn)和成本效率如此重要的原因。在地球科學(xué)激光高度計(jì)系統(tǒng)(GLAS)推出后不久，Coyle就產(chǎn)生了就地制造激光器的想法，該激光系統(tǒng)是第一個(gè)用于連續(xù)全球觀測地球的激光測距儀器。

Coyle指出：“在 NASA之外生產(chǎn)太空飛行激光系統(tǒng)既昂貴又低效，沒有什么能像3D打印那樣節(jié)省時(shí)間、能源和成本，使用3D打印技術(shù)能夠大大簡化制造過程和裝配過程，使其成為新型“小巧”激光器等定制部件的理想解決方案。”


△手掌大小的激光器通過 Form 3 上打印的電鍍支架（銀色）連接到安裝區(qū)域。圖片由美國宇航局Goddard Space Flight Center提供。

3D打印激光器的安裝支架
與Curiosity 和Perseverance火星探測器上的大型激光器不同，此款新的激光器非常適合小樣本觀測。激光能夠通過將巖石中的分子分離成原子來測量巖石樣品的成分。然而，激光器需要有一個(gè)正確合理的連接和安裝位置，才能正常工作。這就是3D打印的用武之地了。工程師使用3D技術(shù)快速開發(fā)和改進(jìn)了激光器的安裝連接部分。

為了制作安裝支架，NASA使用了Formlabs的Form 3立體光刻 (SLA) 平臺和該品牌的 Rigid 10K Resin，這是一種玻璃填充材料，是Formlabs工程產(chǎn)品組合中硬度最高的材料，可用于制造承受大量載荷而不彎曲的精密工業(yè)零件，它可以呈現(xiàn)出光滑的啞光效果，并且具有很高的耐熱性和耐化學(xué)性。接下來，Goddard的NASA工程師依靠nTopology生成設(shè)計(jì)軟件為支架提供有機(jī)支撐設(shè)計(jì)，最大限度地提高承載能力。然后，他們與 Formlabs 打印商合作，優(yōu)化支架設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)最大強(qiáng)度。



根據(jù)Goddard工程師 Matthew Mullin的說法，“能夠與專業(yè)領(lǐng)域的人合作設(shè)計(jì)制造3D打印激光零件，真的很令人興奮。與傳統(tǒng)加工相比，3D打印可以更快地完成不同的設(shè)計(jì)，并且成本顯著降低。像這樣的3D打印激光組件曾經(jīng)是由輕質(zhì)金屬定制銑削而成；現(xiàn)在，先進(jìn)的制造技術(shù)可以縮短制造時(shí)間和成本。”

最終打印部件制造完成后，該團(tuán)隊(duì)將其樹脂打印品發(fā)送給位于馬里蘭州的專業(yè)公司RePliForm，以實(shí)現(xiàn)外層電鍍。電鍍Rigid 10K Resin 打印部件可以增加零件的強(qiáng)度并減少了部件排放的廢氣量，使部件比相同應(yīng)用的傳統(tǒng)機(jī)加工部件輕得多。此外，得益于3D 打印，Goddard 團(tuán)隊(duì)可以在比竄通加工過程更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)、打印、迭代和重新設(shè)計(jì)。


△SpaceX  Dragon飛船。圖片由美國宇航局Goddard Space Flight Center提供。

該激光器將于2022 年7 月14日之前在 CRS-25 任務(wù)中從佛羅里達(dá)州 NASA 的肯尼迪航天中心發(fā)射，搭載SpaceX的robotic Dragon太空艙和獵鷹9號火箭。CRS-25 將履行SpaceX和NASA之間正在進(jìn)行的貨運(yùn)合同的一部分，是這艘特飛船的第三次任務(wù)。