研究人員與NASA合作，成功3D打印揮發(fā)物極地探測車車輪原型

2023年10月9日，南極熊獲悉，美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員與NASA合作，通過成功3D打印與NASA揮發(fā)物極地探測車（VIPER）設(shè)計相同的輪子。該項目展示了增材制造在太空探索中的潛力，即可以通3D打印技術(shù)來提升太空探索的效率和可靠性。

△NASA機械設(shè)計工程師Richard Hagen和ORNL研究員Michael Borish，在檢查3D打印月球車輪原型

揮發(fā)物極地探測車是美國宇航局計劃于2024年發(fā)射道月球的移動機器人，用于繪制月球南極的冰和其它潛在資源地圖。該任務(wù)旨在幫助確定月球水的來源和分布，以及是否可以從月球表面收集足夠的水，來支持未來在那里的人類居住。

盡管在橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的制造示范設(shè)施（MDF）中打印的原型車輪，不會直接用于NASA的登月任務(wù)，但其設(shè)計目的是制造與探測車相同設(shè)計規(guī)格的部件，以供未來用于月球或火星探測器等任務(wù)。同時，進行了額外的測試以驗證設(shè)計和制造方法。

MDF表示，增材制造可以減少能源使用、材料浪費和交貨時間，同時實現(xiàn)設(shè)計復雜性和材料特性的定制。十多年來，該機構(gòu)一直在開發(fā)3D打印技術(shù)，以廣泛應(yīng)用于清潔能源、交通和制造領(lǐng)域。

△位于橡樹嶺國家實驗室的旋轉(zhuǎn)PBF系統(tǒng)（左）和GE全球研究院的原始系統(tǒng)示意圖（右）

MDF研究人員在2022年秋季在橡樹嶺實驗室，使用專用的3D打印機制造了一個流動輪的原型。該打印機使用了兩個協(xié)調(diào)的激光器和一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)建板，以有選擇性地將金屬粉末熔化成所需的設(shè)計形狀。

典型的金屬粉末床系統(tǒng)按步驟操作：在機柜大小的機器中，它們在固定板上耙上一層粉末。然后，激光選擇性地熔化一層，然后板稍微降低并重復該過程。負責MDF新型激光粉末床融合系統(tǒng)開發(fā)的Peter Wang表示，這個3D打印機的獨特之處在于它能夠在一個連續(xù)的過程中打印大型物體，即在制造大尺寸物品時，所有步驟可以同時進行，而不需要多個獨立的步驟。這可以提高效率并加快大型物體的制造速度。

△盡管可以為車輪提供更復雜的輻條圖案和輻條鎖定功能，但3D打印簡化了車輪設(shè)計并降低了成本，并使最終組裝變得更加容易

成本與設(shè)計優(yōu)化同時受益

Wang補充道：“在相同的激光功率下，這極大地提高了生產(chǎn)率。沉積速度加快了50%。我們只是觸及了該系統(tǒng)功能的表面。我真的認為這將成為激光粉末床打印的未來，特別是在大規(guī)模和批量生產(chǎn)中�！�

△項目團隊成員最近在《3D打印和增材制造》雜志上發(fā)表了一項研究，分析了打印電動機等組件技術(shù)的可擴展性（傳送門）

雖然該機器非常獨特，但該項目成功的關(guān)鍵在于，研究人員在過程自動化和機器控制方面的專業(yè)知識。他們使用橡樹嶺國家實驗室開發(fā)的軟件，將車輪設(shè)計垂直分層進行“切片”，然后平衡兩個激光器之間的工作負載以均勻打印，利用最近提交專利保護的計算技術(shù)來實現(xiàn)高生產(chǎn)率。

原型輪是該系統(tǒng)生產(chǎn)的首批部件之一，展示了機構(gòu)間協(xié)作的價值。橡樹嶺國家實驗室火星車輪項目的負責人Brian Gibson說道：“與NASA合作的項目確實推動了這項技術(shù)的發(fā)展。將功能與發(fā)展需求聯(lián)系起來真是太棒了，團隊很高興能夠制作具有太空探索應(yīng)用的原型組件�！�

該原型輪由鎳基合金制成，寬約8英寸，直徑約20英寸，比使用金屬粉末床系統(tǒng)打印的典型零件大得多。制造它需要能夠打印分布在大工作區(qū)域的小幾何特征。Gibson說，增材制造使輪圈設(shè)計變得更加復雜，而不會增加成本或制造難度。

△增材制造允許將精細的設(shè)計細節(jié)（例如圓頂形狀的波浪胎面）納入原型月球輪中

傳統(tǒng)制造與3D打印的區(qū)別

相比之下，明年將在月球探測的四個VIPER車輪，需要多個制造工藝和組裝步驟。VIPER的50片輪輞由360個鉚接接頭固定在一起。目的是為了滿足任務(wù)的嚴格要求，制造過程需要復雜且耗時的機械加工。

如果NASA測試證明3D打印原型與傳統(tǒng)制造的車輪一樣堅固，那么未來的漫游車可以改用單個打印輪圈，而ORNL需要40個小時才能制造出來。通過該項目，橡樹嶺國家實驗室和美國宇航局工程師還探索了打印精確的設(shè)計特征，例如傾斜的側(cè)壁、圓頂形狀和波浪形胎面，以增加車輪的剛度。

使用傳統(tǒng)制造方法很難將這些特性融入到當前的VIPER車輪設(shè)計中。盡管可以為車輪提供更復雜的輻條圖案和輻條鎖定功能，但3D打印簡化了車輪設(shè)計并降低了成本，并使最終組裝變得更加容易。

NASA機械設(shè)計工程師兼NASA休斯敦約翰遜航天中心增材制造實驗室經(jīng)理Richard Hagen表示：“車輪的許多功能只是為了強調(diào)增材制造的用途。橡樹嶺國家實驗室打印大型物體的能力，證明了增材制造技術(shù)在為月球和火星任務(wù)生產(chǎn)更大的火星車輪方面的潛力。

在3D打印過程中，他們也遇到挑戰(zhàn)，專用打印機僅能使用某些特定材料（例如鎳基合金），因此3D打印的車輪比鋁VIPER車輪重50%，但打印厚度相似。

下一步NASA計劃會進一步在約翰遜航天中心或指定測試機構(gòu)測試3D打印車輪的性能。評估人員將評估車輪的可操縱性、旋轉(zhuǎn)阻力、側(cè)滑、爬坡和其他性能指標。

研究人員表示，3D打印具有根據(jù)測試快速更新迭代的優(yōu)勢。它還可以包含更多的復雜性，例如懸架系統(tǒng)，而不會增加弱點。

Hagen表示，作為該機構(gòu)阿耳忒彌斯計劃的一部分，在月球上設(shè)置的載人研究站將需要地外制造能力。他說：“能夠在太空中制造維修零件非常重要，因為你無法獲得足夠的備件。用于打印的粉末、顆�；蜷L絲更容易包裝，并且具有更大的靈活性�！�

Gibson強調(diào)，通過3D打印的靈活性，我們可以使用現(xiàn)有原料制造所需的各種零件，無論是在地球還是太空中。