ORNL和NASA 3D 打印月球車輪原型，大幅提升復雜太空零部件生產(chǎn)效率

2023年10月9日，南極熊獲悉，美國能源部橡樹嶺國家實驗室 (ORNL)和 NASA 的研究人員利用3D 打印仿制了一個與 NASA 機器人月球車類似的車輪，這一成果展示了3D打印技術(shù)在制造太空探索核心專用部件方面的潛力。

3D打印的車輪是仿造了NASA計劃在2024年部署的探索月球南極冰和其他資源的機器人VolatilesInvestigating Polar Exploration Rover（VIPER）月球車上所使用的設計。VIPER 的任務將幫助科學家了解月球水的來源、分布和潛在的收集能力，以支持人類居住。

△NASA 機械設計工程師 Richard Hagen（左）和 ORNL 研究員 Michael Borish 檢查在制造演示設施 3D 打印的月球車輪原型。圖片來源：Carlos Jones，ORNL/美國能源部。

盡管此次打印的車輪原型并非注定要登上月球，但它符合 NASA VIPER 輪子的設計標準。進一步的測試將評估這種設計及其制造方法，以用于未來的太空任務。

增材制造可以減少能源消耗、材料浪費和交貨時間，還支持復雜的設計并允許定制材料屬性。美國能源部的制造示范設施 (MDF) 十多年來一直引領此類技術(shù)，并于 2022 年使用獨特的 3D 打印機開發(fā)了車輪原型。這臺打印機的大小足以容納一個人，它部署兩個同步激光器和一個旋轉(zhuǎn)的構(gòu)建板，以選擇性地將金屬粉末熔化成所需的結(jié)構(gòu)。與標準金屬粉末床系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)能夠連續(xù)工作，允許各個制造過程同時發(fā)生。

△打印流動輪原型的團隊成員在激光粉末床打印機前展示了在 MDF 中創(chuàng)建的結(jié)果。圖片來源：Carlos Jones，ORNL/美國能源部。

負責新型激光粉末床熔融系統(tǒng) MDF 開發(fā)的 Peter Wang 說道：“在相同的激光功率下，這大大提高了生產(chǎn)率，沉積速度提高了50%。我們只是觸及了該系統(tǒng)功能的皮毛。我真的認為這將是激光粉末床打印的未來，尤其是大規(guī)模和批量生產(chǎn)�！� Wang和項目團隊成員最近發(fā)表了一項研究，分析了電動機等打印組件技術(shù)的可擴展性。該研究以題為“Improved Productivity with Multilaser Rotary Powder Bed FusionAdditive Manufacturing”的論文被發(fā)表在《3D Printing and AdditiveManufacturing》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/3dp.2022.0288

Wang 強調(diào)，打印機的獨特性與團隊在自動化和機器控制方面的專業(yè)知識相匹配。研究人員利用橡樹嶺國家實驗室開發(fā)的軟件將車輪的設計分割成垂直部分——在兩個激光器之間均勻分配工作——從而實現(xiàn)高效的生產(chǎn)率。這種方法利用了最近提出的專利計算技術(shù)。

該車輪原型由鎳基合金制成，寬度為 8 英寸，直徑為 20 英寸，比通常使用金屬粉末系統(tǒng)打印的零件要大。使用 3D 打印，該團隊實現(xiàn)了復雜的輪圈設計，沒有額外的成本或制造挑戰(zhàn)。相比之下，VIPER 的輪子即將在月球上滾動，需要經(jīng)歷大量的制造和組裝程序，這使得它們的生產(chǎn)流程變得復雜且耗時耗力。

△盡管為車輪提供了更復雜的輻條圖案和輻條鎖定功能，但 3D 打印簡化了車輪設計并降低了成本，并使最終組裝變得更加容易。圖片來源：CarlosJones，ORNL/美國能源部。

美國宇航局機械設計工程師兼休斯敦美國宇航局約翰遜航天中心增材制造實驗室經(jīng)理理查德·哈根說：“許多車輪特征的加入只是為了強調(diào)增材制造的用途，它可以讓您輕松實現(xiàn)傳統(tǒng)工具甚至傳統(tǒng)加工零件難以實現(xiàn)的設計功能�！�

如果 3D 打印的車輪與傳統(tǒng)制造的車輪的堅固性相匹配，未來的漫游者可能會選擇這種單打印輪圈，該輪圈在 ORNL 只花了 40 個小時就生產(chǎn)出來。3D 打印工藝引入了傾斜側(cè)壁、圓頂形狀和波浪形胎面等功能，從而增強了車輪的剛度。

△增材制造允許將精細的設計細節(jié)（例如圓頂形狀的波浪胎面）納入原型月球輪中。圖片來源：Carlos Jones，ORNL/美國能源部。

然而，3D 打印的車輪也有局限性。該打印機僅適用于特定材料，因此當打印厚度相似時，3D 打印的車輪要比 VIPER 的鋁制車輪重 50%。NASA 打算在 NASA 約翰遜航天中心或?qū)ｉT的測試設施的流動站上測試這種 3D 打印車輪的性能，評估各種性能指標。

作為NASA機構(gòu)阿耳忒彌斯計劃的一部分，在月球上建立的載人研究站將需要地外制造能力。哈根說：“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�！�

△橡樹嶺國家實驗室 MDF 的研究人員監(jiān)測了原型月球輪的打印過程，同時用兩束激光熔化金屬粉末來建造它。圖片來源：Carlos Jones，ORNL/美國能源部。

橡樹嶺國家實驗室火星車輪項目的負責人布萊恩·吉布森 (Brian Gibson) 說：“增材制造提供了靈活性，如果你有原料，你就可以制造你需要的任何替換零件，無論是在太空還是在地球上�！�

這就是增材制造引起了一系列替代需求的極大興趣的原因，從快速制造的模具到難以采購的鑄件和鍛件。對于太空探索和居住，3D 打印機未來甚至可以使用來自月球或火星的當?shù)夭牧献鳛樵�料，從而生產(chǎn)出我們想要的工具。