ZORTRAX 推出新型太空級3D 打印長絲：Z-PEEK

導讀：航空航天材料因為需要經(jīng)受特殊的太空環(huán)境，需要具有抗輻射、耐高溫和耐磨性。在3D打印領(lǐng)域，制造商通常會選用PEEK材料進行改性。波蘭Zortrax為Endureal 工業(yè) 3D 打印機開發(fā)超強太空級長絲Z-PEEK，且已在近地軌道及更遠的空間環(huán)境中成功測試。

南極熊獲悉，波蘭 3D 打印機制造商Zortrax于2021年5月31日推出了新型太空級3D打印長絲：Z-PEEK。據(jù)悉，Z-PEEK 的強度重量比與不銹鋼相當，能夠承受極端溫度。Z-PEEK制成的聚合物-金屬齒輪副能夠以 1600 轉(zhuǎn)/分鐘的速度工作，并被發(fā)射到國際空間站，在沒有屏蔽的情況下暴露在太空環(huán)境中46 個月。目前，Zortrax已將材料制成適配于Endureal工業(yè) 3D 打印機的長絲。

△用Z-PEEK打印的航天器萬向節(jié)抗輻射軸承環(huán)。照片來自 Zortrax。

Z-PEEK材料

經(jīng)測試，3D打印Z-PEEK的拉伸強度為100MPa，斷裂伸長率為28%，彎曲強度為130MPa。耐輻射、耐極端溫度和長期磨損。據(jù) Zortrax稱，材料已在歐洲航天局（ESA）位于荷蘭的ESTEC通過熱真空空間資格測試。測試中，Z-PEEK 在-70°C~130°C 之間進行了 500 次循環(huán)，測試結(jié)果對結(jié)構(gòu)或機械性能沒有不利影響。而快速冷卻測試結(jié)果表明，材料能夠承受低至-196°C的低溫。

△Z-PEEK足夠堅固，可在負載下高速運行齒輪。照片來自 Zortrax。

其他研究證實，在聚合物-金屬滑動系統(tǒng)中，Z-PEEK在 1600 rpm、1 Nm 負載下進行了超過 2200 萬次循環(huán)測試。并且產(chǎn)生的碎屑很少，使用壽命超過了同類產(chǎn)品。Z-PEEK還具有出色的耐化學性，可以與各種潤滑劑一起使用，確保機械設(shè)備順利運行。此外，材料能夠承受很大壓力并且具有特別低的滲透性。能夠作為化工或石油工業(yè)中泵、密封件或墊圈材料。

△耐壓泵：分離式支撐結(jié)構(gòu)可以搭配使用Z-PEEK與Z-SUPPORT HT。

目前，Zortrax 正在使Z-PEEK 可在 Endureal 機器上使用，并與Z-SUPPORTHT支撐材料配合打印。公司建議在使用材料之前采用自動干燥程序，并在打印完成后采用自動退火過程。這兩個步驟都可以用 Endureal打印機執(zhí)行。

3D打印的太空挑戰(zhàn)

太空不同于地球，沒有空氣、沒有對流、沒有傳熱過程，環(huán)境熱量分布極其不均勻。近地球軌道上的航天器面對太陽的表面暴露在高達140 °C 的溫度下，而背對太陽的表面冷卻至 -100 °C。因此，對材料的需求特別具有挑戰(zhàn)性。太空材料需要同時承受兩種極端溫度，在極熱和極冷條件下都能夠正常工作，并且能夠適應溫度的快速變化。另外，因為宇宙中的輻射問題，在為空間應用選擇材料時，長期輻射、原子氧轟擊和發(fā)射過程中暴露在外的強振動部件等因素都需要考慮在內(nèi)。

△3D 打印 PEEK 墊片： Z-PEEK打印的石油行業(yè)管道密封件。

為了測試 PEEK 的太空準備情況，日本航天局JAXA將Z-PEEK樣品發(fā)射到國際空間站并進行了徹底的測試。作為 MPAC 和 SEED 實驗的一部分，在軌道上，測試樣品在沒有任何屏蔽的情況下暴露在太空環(huán)境中長達46 個月。更重要的是，樣品被放置在支架中，施加不同程度的應力，以檢查空間條件是否對 PEEK 機械性能有任何影響。檢查后，除了輕微變色和脆性增加外，PEEK 沒有任何明顯降解跡象。材料的彈性模量因為在高水平紫外線照射下有所降低，而然原子氧轟擊、帶電粒子和其他條件對PEEK 沒有影響。這表明Z-PEEK 能夠勝任各種太空任務。

△Zortrax的 Endureal 系統(tǒng)，用于 3D 打印 Z-PEEK 零件。照片來自 Zortrax。

從遠古時代開始對于太空探索就有著無可比擬的熱忱，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)有望降低太空探索的成本，成為走向太空的一大利器。NASA已經(jīng)計劃使用大型3D打印技術(shù)制造火箭發(fā)動機；美國德州的火箭工程實驗室也受到EOS的支持制造3D打印火箭發(fā)動機組件；加州火箭和導彈推進器制造商Aerojet Rocketdyne更是在2021年5月完成了RL10C-X上層火箭發(fā)動機的熱火測試。3D打印技術(shù)還在其他方面對太空探索做出貢獻：上海復志Raise3D為SpaceX火箭回收再發(fā)射提速；ICON為美國阿爾忒彌斯登月計劃學生建造3D打印火箭發(fā)射臺。為加速3D打印在太空中的應用，各個國家正在積極部署、開發(fā)新型太空工業(yè)級3D打印系統(tǒng)。例如，英國太空發(fā)射公司Orbex委托AMCM建造歐洲最大SLM 3D打印機，歐洲航天局ESA與德國航空航天公司OHB和Azimut Space、愛爾蘭共和國阿斯隆技術(shù)學院以及葡萄牙3D打印機提供商BEEVERYCREATIVE積極開發(fā)無限尺寸FFF高溫3D打印機。而太空3D打印制造公司Redwire也隨著發(fā)展浪潮在紐交所SPAC上市。南極熊相信，3D打印技術(shù)在未來會更加深入航空航天領(lǐng)域，為人類的太空事業(yè)做出貢獻。

參考資料

1. Z-PEEK: Space-Grade 3D Printing Filament
2. 3D打印推動太空探索的成本下降，將成為人類走向太空的一大利器
3. NASA將會使用大型3D打印技術(shù)來制造未來的火箭發(fā)動機
4. EOS支持德州大學學生參加太空挑戰(zhàn)賽，3D打印火箭發(fā)動機組件
5. 完成熱火測試！3D打印火箭發(fā)動機有望飛向太空，AerojetRocketdyne
6. 上海復志Raise3D為SpaceX火箭回收再發(fā)射提速
7. ICON為美國阿爾忒彌斯登月計劃學生建造3D打印火箭發(fā)射臺
8. 打印火箭！英國太空發(fā)射公司Orbex委托AMCM建造歐洲最大SLM 3D打印機
9. 太空制造：無限尺寸高溫FFF 3D打印機，歐洲航天局資助
10. 太空3D打印制造公司Redwire將借殼在紐交所上市