研究人員與NASA合作，成功3D打印揮發(fā)物極地探測車車輪原型

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)室的研究人員與NASA合作，通過成功3D打印與NASA揮發(fā)物極地探測車（VIPER）設(shè)計(jì)相同的輪子。該項(xiàng)目展示了增材制造在太空探索中的潛力，即可以通3D打印技術(shù)來提升太空探索的效率和可靠性。

△NASA機(jī)械設(shè)計(jì)工程師Richard Hagen和ORNL研究員Michael Borish，在檢查3D打印月球車輪原型

揮發(fā)物極地探測車是美國宇航局計(jì)劃于2024年發(fā)射道月球的移動(dòng)機(jī)器人，用于繪制月球南極的冰和其它潛在資源地圖。該任務(wù)旨在幫助確定月球水的來源和分布，以及是否可以從月球表面收集足夠的水，來支持未來在那里的人類居住。

盡管在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的制造示范設(shè)施（MDF）中打印的原型車輪，不會(huì)直接用于NASA的登月任務(wù)，但其設(shè)計(jì)目的是制造與探測車相同設(shè)計(jì)規(guī)格的部件，以供未來用于月球或火星探測器等任務(wù)。同時(shí)，進(jìn)行了額外的測試以驗(yàn)證設(shè)計(jì)和制造方法。

MDF表示，增材制造可以減少能源使用、材料浪費(fèi)和交貨時(shí)間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和材料特性的定制。十多年來，該機(jī)構(gòu)一直在開發(fā)3D打印技術(shù)，以廣泛應(yīng)用于清潔能源、交通和制造領(lǐng)域。

△位于橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的旋轉(zhuǎn)PBF系統(tǒng)（左）和GE全球研究院的原始系統(tǒng)示意圖（右）

MDF研究人員在2022年秋季在橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室，使用專用的3D打印機(jī)制造了一個(gè)流動(dòng)輪的原型。該打印機(jī)使用了兩個(gè)協(xié)調(diào)的激光器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)建板，以有選擇性地將金屬粉末熔化成所需的設(shè)計(jì)形狀。

典型的金屬粉末床系統(tǒng)按步驟操作：在機(jī)柜大小的機(jī)器中，它們在固定板上耙上一層粉末。然后，激光選擇性地熔化一層，然后板稍微降低并重復(fù)該過程。負(fù)責(zé)MDF新型激光粉末床融合系統(tǒng)開發(fā)的Peter Wang表示，這個(gè)3D打印機(jī)的獨(dú)特之處在于它能夠在一個(gè)連續(xù)的過程中打印大型物體，即在制造大尺寸物品時(shí)，所有步驟可以同時(shí)進(jìn)行，而不需要多個(gè)獨(dú)立的步驟。這可以提高效率并加快大型物體的制造速度。

△盡管可以為車輪提供更復(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(jì)并降低了成本，并使最終組裝變得更加容易

成本與設(shè)計(jì)優(yōu)化同時(shí)受益

Wang補(bǔ)充道：“在相同的激光功率下，這極大地提高了生產(chǎn)率。沉積速度加快了50%。我們只是觸及了該系統(tǒng)功能的表面。我真的認(rèn)為這將成為激光粉末床打印的未來，特別是在大規(guī)模和批量生產(chǎn)中�！�

△項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員最近在《3D打印和增材制造》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究，分析了打印電動(dòng)機(jī)等組件技術(shù)的可擴(kuò)展性（傳送門）

雖然該機(jī)器非常獨(dú)特，但該項(xiàng)目成功的關(guān)鍵在于，研究人員在過程自動(dòng)化和機(jī)器控制方面的專業(yè)知識(shí)。他們使用橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的軟件，將車輪設(shè)計(jì)垂直分層進(jìn)行“切片”，然后平衡兩個(gè)激光器之間的工作負(fù)載以均勻打印，利用最近提交專利保護(hù)的計(jì)算技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率。

原型輪是該系統(tǒng)生產(chǎn)的首批部件之一，展示了機(jī)構(gòu)間協(xié)作的價(jià)值。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室火星車輪項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Brian Gibson說道：“與NASA合作的項(xiàng)目確實(shí)推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。將功能與發(fā)展需求聯(lián)系起來真是太棒了，團(tuán)隊(duì)很高興能夠制作具有太空探索應(yīng)用的原型組件。”

該原型輪由鎳基合金制成，寬約8英寸，直徑約20英寸，比使用金屬粉末床系統(tǒng)打印的典型零件大得多。制造它需要能夠打印分布在大工作區(qū)域的小幾何特征。Gibson說，增材制造使輪圈設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜，而不會(huì)增加成本或制造難度。

△增材制造允許將精細(xì)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)（例如圓頂形狀的波浪胎面）納入原型月球輪中

傳統(tǒng)制造與3D打印的區(qū)別

相比之下，明年將在月球探測的四個(gè)VIPER車輪，需要多個(gè)制造工藝和組裝步驟。VIPER的50片輪輞由360個(gè)鉚接接頭固定在一起。目的是為了滿足任務(wù)的嚴(yán)格要求，制造過程需要復(fù)雜且耗時(shí)的機(jī)械加工。

如果NASA測試證明3D打印原型與傳統(tǒng)制造的車輪一樣堅(jiān)固，那么未來的漫游車可以改用單個(gè)打印輪圈，而ORNL需要40個(gè)小時(shí)才能制造出來。通過該項(xiàng)目，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和美國宇航局工程師還探索了打印精確的設(shè)計(jì)特征，例如傾斜的側(cè)壁、圓頂形狀和波浪形胎面，以增加車輪的剛度。

使用傳統(tǒng)制造方法很難將這些特性融入到當(dāng)前的VIPER車輪設(shè)計(jì)中。盡管可以為車輪提供更復(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(jì)并降低了成本，并使最終組裝變得更加容易。

NASA機(jī)械設(shè)計(jì)工程師兼NASA休斯敦約翰遜航天中心增材制造實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理Richard Hagen表示：“車輪的許多功能只是為了強(qiáng)調(diào)增材制造的用途。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室打印大型物體的能力，證明了增材制造技術(shù)在為月球和火星任務(wù)生產(chǎn)更大的火星車輪方面的潛力。

在3D打印過程中，他們也遇到挑戰(zhàn)，專用打印機(jī)僅能使用某些特定材料（例如鎳基合金），因此3D打印的車輪比鋁VIPER車輪重50%，但打印厚度相似。

下一步NASA計(jì)劃會(huì)進(jìn)一步在約翰遜航天中心或指定測試機(jī)構(gòu)測試3D打印車輪的性能。評估人員將評估車輪的可操縱性、旋轉(zhuǎn)阻力、側(cè)滑、爬坡和其他性能指標(biāo)。

研究人員表示，3D打印具有根據(jù)測試快速更新迭代的優(yōu)勢。它還可以包含更多的復(fù)雜性，例如懸架系統(tǒng)，而不會(huì)增加弱點(diǎn)。

Hagen表示，作為該機(jī)構(gòu)阿耳忒彌斯計(jì)劃的一部分，在月球上設(shè)置的載人研究站將需要地外制造能力。他說：“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�！�

Gibson強(qiáng)調(diào)，通過3D打印的靈活性，我們可以使用現(xiàn)有原料制造所需的各種零件，無論是在地球還是太空中。