miniFactory 3D打印衛(wèi)星部件將用做通信衛(wèi)星金屬替換件

芬蘭研究小組的項(xiàng)目旨在制造更輕、更快的航天器，研究的重點(diǎn)是開發(fā)適合在太空使用的3D打印聚合物組件，Maker3D是這個(gè)研究小組的一部分，負(fù)責(zé)用高分子材料對(duì)需要的零件進(jìn)行3D打印，并提供3D打印技術(shù)和零件設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí)。miniFactory Ultra 3D打印機(jī)被選為這項(xiàng)工作的應(yīng)用工具，能夠?yàn)楹娇蘸教旌秃教旃�業(yè)設(shè)計(jì)多種高性能材料，還可以將多種材料組合在同一零件中。

該項(xiàng)目名為HighPEEK，由歐洲航天局（ESA）資助，于2019年9月啟動(dòng)，并持續(xù)兩年。該項(xiàng)目最終將生產(chǎn)適用于空間技術(shù)的部件。由于每公斤發(fā)射到軌道上的成本可能高達(dá)3萬美元，即使重量減少很小，也可以節(jié)省大量預(yù)算。該項(xiàng)目的研究目標(biāo)是減少至少50%的零件重量，并盡可能縮短交貨期。主要想法是更換金屬零件，因此項(xiàng)目中使用的材料一般需要是性能最好的高性能聚合物。這種材料的3D打印對(duì)于航天發(fā)射來說是一種極為經(jīng)濟(jì)高效的制造方式。

其中的項(xiàng)目成員表示:“用3D打印熱塑性塑料替換金屬零件，可以達(dá)到要求的規(guī)格。當(dāng)這些部件在TRL5環(huán)境中進(jìn)行測試時(shí)，要求非常高。零件需要承受強(qiáng)烈的振動(dòng)、電荷和溫度的快速變化。并且，有時(shí)零件也可能需要有內(nèi)部電路的線路結(jié)構(gòu)”。

衛(wèi)星零件正在制作中
衛(wèi)星上使用的部件將面臨地球空間環(huán)境以及振動(dòng)和發(fā)射載荷。對(duì)零件的其他重要要求是除氣和抗紫外線能力。
為該項(xiàng)目選擇了兩組零件：
1.外殼
2．支撐結(jié)構(gòu)和支架

為了有一個(gè)真實(shí)的角度，將已被用于衛(wèi)星項(xiàng)目（如ARTES）的金屬部件選為基準(zhǔn)，來與3D打印高性能聚合物進(jìn)行比較。3D打印PEEK CF支架，用于固定衛(wèi)星上的通用蜂窩板，照傳統(tǒng)所用的鋁質(zhì)版輕了59%。

上圖中突出顯示了來自支撐結(jié)構(gòu)和支架組的3D打印部件的一個(gè)示例。支架用于固定通用蜂窩板。這些傳統(tǒng)上是固定使用簡單的鋁角板與螺栓連接到框架。盡管3D打印版看起來要復(fù)雜得多，但它比傳統(tǒng)鋁制版輕59%。圖片中突出顯示的最新3D打印部件已使用gyroid填充打印為半空心結(jié)構(gòu)。這使得重量急劇減少而不損害機(jī)械性能。3D打印版本中使用的材料是碳纖維增強(qiáng)PEEK材料。

第二個(gè)示例部分來自一組外殼。采用ESD-PEKK材料制作了哨兵一號(hào)地球測繪衛(wèi)星電源繼電器外殼。原來的外殼是用鋁制成的，但利用3D打印可以改變結(jié)構(gòu)并使網(wǎng)格更輕。運(yùn)用高性能聚合物，項(xiàng)目的所有目標(biāo)都可以實(shí)現(xiàn)。

采用PEEK CF材料并重新設(shè)計(jì)的傳感器外殼
上圖所示的實(shí)驗(yàn)性IRES-C傳感器外殼最初是用金屬制成的。IRES-C是紅外地球傳感器的縮寫，它的任務(wù)是作為在軌衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整的一部分。重新設(shè)計(jì)的傳感器外殼采用碳纖維增強(qiáng)PEEK進(jìn)行了3D打印，這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)更輕而不影響功能。

零件要求
在進(jìn)入軌道的旅程開始時(shí)，部件需要承受很大的壓力。準(zhǔn)確地說，縱向加速度為6g，橫向加速度為4g，并且還不是全部，有很多連續(xù)的振動(dòng)和零星的沖擊載荷。因此，零件的測試需要全面，涵蓋零件強(qiáng)度和剛度測試的不同方面。除了拉伸和彎曲模式外，還使用振動(dòng)臺(tái)測試了零件的抗疲勞性。

當(dāng)部件進(jìn)入軌道時(shí)，需求會(huì)發(fā)生變化，不同的挑戰(zhàn)也會(huì)出現(xiàn)。這些零件現(xiàn)在面臨著高真空和不同光譜的電磁輻射。所有零件都需要進(jìn)行不同類型紫外線（A、B和C）的應(yīng)力測試，以便能夠承受空間中的連續(xù)暴露。

除此之外，零件還需要具有非常好的排氣性能。這是一種與零件在高真空下的穩(wěn)定性有關(guān)的現(xiàn)象。零件不能在聚合物結(jié)構(gòu)中含有氣泡或在真空中發(fā)生化學(xué)分解。
為了滿足所有這些要求，零件需要用性能最好的聚合物制作，并需要全程監(jiān)控制作的過程。

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