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3D打印百科
带11个3D打印零件,NASA“毅力”号火星车成功着陆
发表日期:2021-02-22 14:45 浏览次数:181

      对于爱好者和制造商而言,3D打印扩展了创意的可能性。对于专业工程师来说,3D打印则是下一代航天器设计的关键。美国东部时间2月18日,美国“毅力”号火星车在火星成功着陆,将寻找火星上可能存在过的生命迹象。此次登陆是为2030年后人类探索火星做准备。而值得注意的是,11个3D打印制成的金属零件将随着毅力号漫游车开启火星漫步,这将是一个3D打印历史上的里程碑。

带11个3D打印零件,NASA“毅力”号火星车成功着陆火星

©NASA

3D打印实现结构一体化

block 非凡的毅力+新的制造技术

       根据中国日报,“毅力”号是美国宇航局的第五辆火星巡游车,“毅力”号是美国宇航局迄今为止发射的技术最先进的遥控设备。去年7月30日从卡纳维拉尔角空间站搭载联合发射联盟的阿特拉斯5号火箭发射升空后,“毅力”号在6个多月的时间里飞行了2.93亿英里(4.7亿千米)才到达了火星。“毅力”号将在火星上停留近两年,寻找远古生命迹象,探索火星表面。

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       这个耗资27亿美元(约合人民币175亿元)的火星车是在美国宇航局位于加州帕萨迪纳市的喷气推进实验室制造的,车体长10英尺(约3米),宽9英尺,高7英尺,重2260磅(约1025千克),比它的前任“好奇”号火星车大约重278磅。

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根据3D科学谷的深度了解,在11个3D打印零件中,有5个在NASA毅力号漫游车的PIXL仪器中。饭盒大小的设备是X射线岩石化学行星仪器的缩写,它将通过在岩石表面发射X射线束进行分析,从而帮助流动站寻找化石微生物生命的迹象。

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      PIXL的外壳是NASA恒心漫游车探测器上的仪器之一,包括几个由3D打印制成的钛合金零件。图框中显示了两件式外壳零件的前半部分。来源:JPL

      NASA的JPL团队(JPL由位于南加州帕萨迪纳市的加州理工学院,由NASA管理)设计了毅力号漫游车PIXL的两件式钛金属外壳,一个安装框架和两个支撑杆,该支撑杆将外壳固定到手臂的末端,使其成为空心且非常薄。根据3D科学谷的了解这些零件是由Carpenter 增材制造提供的3D打印支持,其质量比常规生产的质量轻三到四倍,3D打印技术使NASA能够实现传统制造所无法实现的低质量。

        毅力号漫游车的其他六个3D打印部件在名为“火星氧气现场资源利用实验”或MOXIE的仪器中。该设备将测试未来可能产生工业量氧气以在火星上产生火箭推进剂的技术,从而帮助宇航员返回地球。

 

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此X射线图像显示了恒心漫游车的MOXIE仪器中3D打印热交换器的内部,此类X射线图像可用于检查零件中的缺陷。来源:JPL

为了产生氧气,MOXIE将火星空气加热到接近1,500华氏度(800摄氏度)。根据3D科学谷的了解该设备内有六个3D打印热交换器-掌型镍合金板,可保护仪器的关键部件免受高温影响。通过传统制造工艺,需要将机械加工的热交换器的两部分焊接在一起,但是通过3D打印可以避免焊接的需求,将热交换器作为结构一体化零件制造出来。

热交换器所用的合金是镍基合金,这类零件被称为超级合金,因为它们甚至在非常高的温度下也能保持强度。超级合金通常存在于喷气发动机或发电涡轮机中,即使在高温下,它们也确实能很好地抵抗腐蚀。

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不过3D打印还需要跟其他工艺相结合,根据3D科学谷的了解为了避免3D打印过程中产生削弱材料强度的孔隙或裂纹。在3D打印完成后,需要将零件放在热等静压设备中进行处理,将零件加热到1,832华氏度(1,000摄氏度)以上,并在零件周围均匀施加强压力。最后,工程师需要进行大量的机械测试,以检查换热器的微观结构,并确保它们适用于太空飞行。

 

根据中国日报,“毅力”号平均每个火星日可以行驶650英尺,包含7个科学设备、一个能伸到7英尺长的机器手臂,还有一个凿岩机。这个核动力火星车使用的是美国能源部提供的钚发电机。

火星车上的科研设备包括一台可拍摄火星表面和大气特征的高清视频、全景全色三维影像并配备放大远处目标物体的变焦镜头摄像机,一组可以观测天气和监控火星表面尘土的传感器,一个能用火星大气中的二氧化碳制造氧气的系统,一个可以测定岩石化学成分和分析细微特征的X光摄像系统,一个分析火星表面下的地质特征的地面穿透雷达系统,一组搜寻有机物、矿物质并给岩石颗粒和表面纹理近距离拍照的摄像机、光谱分析仪和激光器,以及一台识别包括原子和分子成分在内的岩石泥土化学成分的摄像机。

根据中国日报,除了NASA美国宇航局外,去年阿联酋和中国也执行了太空任务。2023年欧洲航天局的罗莎琳·富兰克林漫游车将在火星着陆,这辆火星车上将搭载一个可钻入地下数米的钻孔机,那里可能存活着远离地表恶劣环境的生物分子。

block 3D打印助力NASA高点起飞

从3D打印火箭到3D打印漫游车,NASA在将3D打印应用到航天领域正处在厚积薄发的加速跑阶段。根据3D科学谷的市场观察,NASA在航天领域所开发的核心关键技术包括:铜合金的GRCop-84的基于粉末床的选区激光熔化(L-PBF)金属3D打印技术,双金属腔室的工艺开发,通过DED定向能量沉积增材制造技术来制造带冷却流道的火箭推力室喷管,用于火箭推力室的喷注器和其他组件的新型增材制造材料,即NASA HR-1。

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      在推力室的增材制造方面,根据3D科学谷的了解,目前NASA在2K-lbf推力的推力室上完成了双金属开发,并正在积极地应用到7K-lbf,40K-lbf的推力室制造。正在取得重大进展,并计划在2020年和2021年进行更多的测试计划,以及配套的硬件开发。NASA已开发的仿真模型可建议制造策略以控制制造过程中的变形。