JPL公布2022年三大增材制造應(yīng)用亮點：航天器天線、電磁屏蔽器和金屬織物

2023年4月11日，南極熊獲悉，JPL機構(gòu)公布了2022年度取得的重要技術(shù)突破，這也是新主任Laurie Leshin（2022年5月16日正式上任，接替2021年8月退休的Michael Watkins）和新的首席技術(shù)專家Tom Cwik博士的第一次亮相。

美國宇航局噴氣推進實驗室的高級研究科學(xué)家（SRS）和負責(zé)人、全球增材制造行業(yè)的知名人士道格拉斯-霍夫曼指出，JPL增材制造的研究亮點主要體現(xiàn)在三個項目上：

• 第一個項目是用于航天器天線的3D打印鋁反射器，其具有拓撲優(yōu)化的背襯結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)熱穩(wěn)定性。這是由Paul Goldsmith領(lǐng)導(dǎo)的，大部分的打印工作由技術(shù)灌輸組的Ryan Watkins完成。
• 第二個項目是定向能量沉積（DED）高性能磁屏蔽的開發(fā)，這種技術(shù)允許用磁性材料（如 mumetal）和用于磁性應(yīng)用的功能梯度多金屬合金生產(chǎn)復(fù)雜的形狀，這項工作是由Samad Firdosy領(lǐng)導(dǎo)的。
• 最后一個項目是霍夫曼與加州理工學(xué)院在《自然》雜志上發(fā)表了一項關(guān)于干擾3D打印織物的工作。這項工作在Tent Bordeenithikasem的領(lǐng)導(dǎo)下，在與加州理工學(xué)院的新合作中獲得了新的生命，即利用打印織物制造形狀改變的天線。
  

霍夫曼說："增材制造在美國宇航局的航天器和漫游車上的應(yīng)用仍有許值得探索的地方。除了火星車上的打印部件外，JPL在增材制造方面取得的最大成就之一是建立了鋁和鈦部件的LPBF工藝，使得打印部件能夠滿足飛行要求。這將允許我們能夠為航天器和漫游車打印零件，也能幫助美國宇航局其他中心的工作。"

航天器上的3D打印織物

JPL已經(jīng)開發(fā)出一種新的3D打印織物，在太空中部署后可以硬化變成所需的形狀。這些形狀變形材料的靈感來自于鏈?zhǔn)窖b甲，通過打印互鎖的薄片單元來制造，這些單元可以各自獨立地移動一小段距離，允許定制配置，非常適合特定用途。然后，這些靈活的薄片可以被卷起或折疊成非常小的尺寸，以便裝入火箭整流罩進行發(fā)射。創(chuàng)建一個可變形的結(jié)構(gòu)需要對最終的剛性結(jié)構(gòu)有一個大致但未必精準(zhǔn)的了解，以及設(shè)計適當(dāng)?shù)幕ユi單元。

片材可以在其柔性狀態(tài)下被塑形，并且可以通過改變壓力來調(diào)整剛度，以達到所需的形狀。然后，當(dāng)相鄰的片材卡在一起時，就會對它們施加力，使其互鎖成一個最終的剛性結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)性織物在美國宇航局的任務(wù)和消費產(chǎn)品中都有許多潛在的應(yīng)用。它們可以被用作可部署的輻射器、天線、太陽能電池板、輻射防護毯或微流星體防護罩。它們還可以作為暴露在長期微重力環(huán)境下的宇航員的身體塑形外骨骼。

在地球上，這種結(jié)構(gòu)性織物可用于醫(yī)療保健領(lǐng)域，作為自適應(yīng)石膏，在受傷愈合時調(diào)整其硬度，或作為消防員或士兵的吸收沖擊的衣服。它們具有可折疊和可收放的特點，一旦進入太空就會展開成更大的剛性形狀，這將導(dǎo)致形成更大的、可定制的部件，以獲得最佳性能。

增材制造電磁屏蔽裝置

使用送粉固結(jié)技術(shù)制造的多材料磁屏蔽裝置極大改善了屏蔽性能。隨著美國宇航局的機器人航天器探測來自恒星、行星和其他目標(biāo)的微弱信號的能力越來越強，它們也對來自諸如反應(yīng)輪、電動馬達和冷卻系統(tǒng)等機載機械的干擾也越來越敏感。

例如，任何使用電動馬達的東西，對敏感的磁力計來說都是一個問題。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，電子 "噪音 "設(shè)備被金屬外殼所屏蔽。使這些設(shè)計復(fù)雜化的是需要創(chuàng)造復(fù)雜的形狀，以最大限度地提高電磁屏蔽的有效性，而這些復(fù)雜的設(shè)計可能非常難以制造。JPL所使用的新技術(shù)正在充分利用增材制造的優(yōu)勢，能夠比以前更快、更容易地創(chuàng)造出更好的磁屏蔽裝置。

JPL所使用是一種被稱為送粉激光沉積的工藝，它是通過惰性氣體將金屬粉塵從噴嘴中導(dǎo)出，隨后進入一個高功率激光器所發(fā)射的高能光束中完成熔化和沉積。由此產(chǎn)生的熔化的金屬塊與新出現(xiàn)的部件相融合，在計算機控制下逐層建立起來。通過改變粉末的成分，不同的金屬合金可以被沉積在它們最有效的地方。這使我們能夠創(chuàng)造出用任何其他方法都無法制造的奇特部件，而且所需的時間遠遠少于目前的工藝。其結(jié)果是以更小的質(zhì)量和更低的成本實現(xiàn)更有效的屏蔽性能，從而制備出性能更優(yōu)的航天器，且比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的任何同類部件都要更小更輕。

增材制造天線

在2022年的另一項JPL技術(shù)亮點中，他們采用增材制造技術(shù)開發(fā)了一種具有高性能、熱穩(wěn)定性的天線，可應(yīng)用到天文領(lǐng)域和遙感領(lǐng)域。為航天器和高空氣球設(shè)計和制造天線是很困難的。就其本質(zhì)而言，天線是笨重的，建造它們以承受飛行的壓力并保持尺寸的穩(wěn)定性一直是一個挑戰(zhàn)。此外，用于各種地球觀測、行星科學(xué)和天文學(xué)應(yīng)用的亞毫米級天線也可能是脆弱的。由于它們在微小的波長上工作，它們必須沒有最微小的缺陷才能正常工作，并能在廣泛的溫度范圍內(nèi)工作。

傳統(tǒng)上，這些天線的制造是使用玻璃形式來創(chuàng)建天線的表面，在其上沉積一層薄的反射材料，如鎳。然后將一個由金屬蜂窩或條帶制成的支撐結(jié)構(gòu)粘在背面。這個過程非常耗時和嚴(yán)格，而且容易出現(xiàn)制造錯誤。由此產(chǎn)生的天線在極端溫度下工作時也有潛在的缺點，因為材料的膨脹和收縮速度不同，會給天線帶來應(yīng)力，并可能出現(xiàn)不均勻的變形。

JPL的工程師們正在試驗一種新的工藝，這種工藝涉及到增材制造。該工藝不僅成本低，可以很容易地適應(yīng)不同的應(yīng)用，并且可以直接完成制造。這種新方法使用單一的材料來創(chuàng)建支撐結(jié)構(gòu)和反射表面，從而大大簡化了制造過程和單一的膨脹系數(shù)，使得整個裝置對溫度變化的反應(yīng)是一致的。這導(dǎo)致天線上的應(yīng)力更少，變形更小，在使用過程中能夠提供極優(yōu)的信號。

通過使用鋁粉打印天線，可以在輕量化的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出更復(fù)雜的天線設(shè)計，從而獲得使用傳統(tǒng)制造技術(shù)無法制造的復(fù)雜優(yōu)化形狀。通過使用復(fù)雜的設(shè)計軟件，天線的支撐組件可以根據(jù)需要做得更薄或更厚，這有助于進一步促進更高性能、更高效設(shè)計的實現(xiàn)。