歐洲航天局支持3D打印無摩擦齒輪項目

2023年8月30日，南極熊獲悉，瑞士電子和微技術中心（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，將共同設計、3D打印和測試一種名為順應旋轉減速機構（CRRM）的高性能不銹鋼一體化齒輪系統(tǒng)。

△3D打印的順應旋轉減速機構（CRRM）

目標取消“潤滑”

CRRM是一種無摩擦齒輪機構，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)旨在實現(xiàn)航空航天部件（如推進器、傳感器、望遠鏡鏡頭或鏡子）的精確旋轉，最重要的是它無需潤滑劑。為了實現(xiàn)這一目標，CRRM采用了彎曲或“彈性變形”的設計，包含24個可彎曲葉片，其中16個是互鎖的。

該項目于2018年啟動，由歐洲航天局（ESA）通用支持技術計劃（GSTP）資助。CRRM的設計由CSEM負責，3D Precision負責進行3D打印制造，性能測試則由Almatech SA進行。

歐空局技術官員Paolo Zaltron解釋說：“可變形部件和剛性部件被構建為一個整體結構，避免了任何耗時的組裝和對準。”他還指出，這些部件的非常規(guī)形狀突破了3D打印技術的界限，是先進優(yōu)化技術的成果，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

在太空應用中，使用潤滑劑可能會導致精密系統(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構特別具有市場前景。

盡管柔順機構在太空應用中被廣泛使用，通常用于需要零摩擦運動的場合，但其設計和制造具有挑戰(zhàn)性。這是因為這些機構具有復雜的結構，由各種精密零件組成，傳統(tǒng)上需要進行加工、驗證、對齊和固定。

3D打印在這些機構的制造中具有顯著優(yōu)勢，包括設計自由度以及能夠制造復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個撓性葉片，以形成交叉樞軸和八個中間級。此外，借助3D打印的優(yōu)勢，彎曲結構之間無需對齊即可確保適當?shù)碾娪靶Ч��?br />

△在另一個案例中，人們使用3D打印為軌道火箭開發(fā)熱交換器組件

為了設計該機構，該團隊還結合了參數(shù)優(yōu)化和拓撲優(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可以將旋轉運動減少10倍，對于掃描、指向、校準或翻轉鏡機構特別有用。

盡管整個項目的總體結果被認為是令人鼓舞的，但由于制造和測試過程中使用的寬板模型存在失真，導致性能和壽命測試的結果并不理想。

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

雖然，CRRM項目還在進一步的研究和開發(fā)中，但該項目的進展對于航天技術和3D打印技術的發(fā)展具有重要意義，有望為未來的航天探索和工程應用帶來更多創(chuàng)新和突破。