12:02 2021年01月25日
科技
縮短網址
0 60

利用3D計算機技術,通過逐層累積材料合成物體的增材製造技術,正日益成為太空設備製造領域的最前沿。科學家認為,3D打印可以顯著加快開發地球外空間的速度。如何優化3D打印機的 「太空製造」 ,並提高打印構件的安全性?如何使用新技術為納米衛星創建超輕光學系統?來自俄羅斯大學("5-100"計劃成員)的研究人員介紹了他們的最新進展。

新方法的主要優點之一在於一台3D打印機可以代替傳統工廠的大量設備。 2020年11月,《福布斯》雜誌將增材製造技術(來自拉丁語additivus-增加)列入值得企業家關注的五項革命性新技術清單。文章作者指出,增材製造技術將為航空航天產業帶來巨大的好處,在該領域,產品重量通常是影響運輸成本的最主要因素。

太空3D打印可以顯著加快開發地球外空間的速度;增材製造技術也正在積極滲透到火箭製造行業。

2020年5月30日,參加了Crew Dragon航天器和獵鷹9號火箭發射的宇航員羅伯特·貝肯和道格·赫利的頭盔是使用3D打印技術量身定制的。

SpaceX航空航天公司的負責人埃隆·馬斯克表示,使用3D打印,可以製造耐用的高性能發動機零件,而花費的時間和資金只是使用傳統製造方法的一小部分。還在2014年,SpaceX就已經製造出首個3D打印構件。

「藍色起源」航空航天公司傑夫·貝佐斯使用增材製造技術打印BE-4發動機組件。來自美國(相對論空間)和英國(奧貝克斯)的年輕火箭公司也計劃充分利用3D打印機的可能性。

提高3D-構件的安全性

與此同時,3D打印的構件,即使存在最細微的缺陷,對於所創建設備的安全性也至關重要。國立研究型技術大學MISIS(NUST MISIS)的科學家們能夠改善鋁的3D打印技術,使產品的硬度提高了1.5倍。

NUST MISIS的研究人員認為,此類缺陷的主要風險是材料的高孔隙率,其原因之一是原始鋁粉的特性。為了確保打印產品的微觀結構均勻且致密,科學家提出了向鋁粉中添加碳納米纖維的方法,以確保材料的低孔隙率並使其硬度提高1.5 倍。研究結果發表在《Composites Communications》雜誌上。

NUST MISIS的教授亞歷山大·格羅莫夫介紹說:"碳納米纖維具有高導熱性,有助於在產品合成過程中,在選擇性激光熔化階段最小化打印層之間的溫度梯度。因此,材料微觀結構的不均勻性幾乎可以完全消除。」  

所使用的碳納米纖維是加工油田伴生氣的副產品。在其催化分解過程中,碳以納米纖維的形式積聚在催化劑分散的金屬顆粒上。科學家們還指出,通常伴生氣在油氣田「放空燃燒」,對環境造成危害,因此使用這種新方法具有重要的環保意義。

優化「太空製造」

埃隆·馬斯克和其他專家們確信,3D打印可助力未來的太空開發,例如殖民火星。

要在火星上生存,就需要能夠在那裡開始生產,並且最好利用當地的材料。 3D打印機可被用來建基地,並在那裡構建生存環境。

即使是現在,在國際空間站(ISS)的工作中,獲取材料的問題也仍然很嚴重,下一艘貨運飛船宇航員不得不等幾個月。有時侯重要的小零件損壞或丟失,例如,電觸頭的塑料插頭經常丟失。在這種情況下, 3D打印機在太空打印塑料產品可以解決此問題。 未來,在星際飛行期間,可獲得性問題將變得更加尖銳,對這種打印機的需求必將增加。

2016年,NASA委託Made in Space公司在國際空間站安裝一台永久的3D打印機,以生產宇航員可能需要的工具、設備和其它任何東西。隨後,一些歐洲、中國和其它的公司也宣佈製造類似的機器。

研制3D打印機的研究人員,托木斯克理工大學(TPU)的科學家表示,俄羅斯生產的3D打印機將於2021年進入太空,其優勢是一個更先進的模塊化系統,能夠實現設備升級和維修。因此,當3D打印材料從簡單的塑料轉向超結構或復合材料時,工程師將不必像今天美國同事那樣製造新的打印機,然後將其交付給 ISS使用。

TPU現代生產技術科學和生產實驗室負責人瓦西里·費多羅夫說:"現在,3D 打印機的工作佈局進入最後階段。對發送到 ISS 的設備在耐機械、氣候和其它負載方面有嚴格的要求。此外,要確保3D打印機對宇航員絕對安全。現在,所有這一切都在檢查中,進行了一系列測試和檢驗。同時,對專門為該打印機設置的軟件進行改進。」

為納米衛星創建超輕型光學系統

 3D打印機
© 照片 : 托木斯克工業大學高技術物理學研究所所
3D打印的可能性使薩馬拉大學的科學家們能夠為納米衛星創建一個獨特的超輕光學系統,該系統具有衍射光學器件。 研究人員說,這將是世界上第一個帶衍射光學器件的透鏡進入太空。

光學系統的核心是在大學研制出的平面衍射透鏡,它具有獨特的特性。 基於這種透鏡的鏡頭取代了現代遠射鏡頭的透鏡系統,其特性是重量輕(與光學部件一起重量小於100克)和尺寸微小。

該鏡頭具有創新的仿生形狀外殼,採用最佳技術設計,在保持強度特性的同時最大限度地減輕重量。 航天器部件複雜的外部形狀和內部結構是在SLM280HL選擇性激光融合設備上進行3D打印的。

據科學家介紹,為了盡量減輕部件的重量,在其內部結構中進行了拓撲優化,其結果是增加了特殊的蜂窩塊。 部件的尺寸為70×80×100毫米,由於使用增材製造技術,其重量比傳統方法製造的類似部件減輕了約40%。

薩馬拉大學發動機生產技術教研室副教授維塔利·斯梅洛夫介紹說:"該透鏡的外殼由AlSi10Mg鋁合金粉末製成。 俄羅斯生產的合金在俄羅斯國內外都享有盛譽。 在航天和航空領域,重量是主要特性,業內一直都在設法降低該指標"。

科學家們對原始結構進行了多階段拓撲優化,獲得並分析了幾種形式。

薩馬拉大學研究員安東·阿加波維奇夫表示:"我們與CADFEM CIS拓撲優化和增材製造技術領域的專家合作,進行了大量工作,以獲得一種新型結構形式,滿足世界航天工業公司的現代要求。「

據科學家介紹說,同類產品,比如立方體衛星壁虎成像儀(Gecko Imager)的鏡頭,其價格是2萬3千歐元,而他們正在開發的光學系統的價格將會低得多。

在國家「教育」項目框架內實施的「 5-100」計劃旨在幫助俄羅斯大學增強科研潛力,提高在全球教育服務市場中的競爭地位。

社區公約討論