07年2023月XNUMX日（Nanowerk新聞) 能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員與 NASA 合作，透過 3D 列印與 NASA 機器人月球車設計相同的輪子，將積層製造推向了最後的前沿，展示了專門用於製造月球車的技術。太空探索所需的零件。 這種增材製造的輪子是以揮發物調查極地探索漫遊車（VIPER）現有的輕型輪子為藍本的，VIPER是美國宇航局計劃於2024年發射的移動機器人，用於繪製月球南極的冰和其他潛在資源地圖。 該任務旨在幫助確定月球水的來源和分佈，以及是否可以從月球表面收集足夠的水來支持生活在那裡的人。
在短短幾天內，橡樹嶺國家實驗室的研究人員利用粉末床列印技術，根據 NASA 的設計製造出了這款月球車輪。 （圖片：Carlos Jones，ORNL）雖然在ORNL 的DOE 製造演示設施（MDF）打印的原型車輪實際上不會用於NASA 月球任務，但它的設計是為了滿足與為NASA 製造的車輪相同的設計規格。毒蛇。 在將該技術用於未來的月球或火星探測器或考慮將其用於其他太空應用（例如大型結構部件）之前，計劃進行額外的測試來驗證設計和製造方法。
積層製造可以減少能源使用、材料浪費和交貨時間，同時實現設計複雜性和材料特性的客製化。 MDF 處於這項努力的最前沿，十多年來一直在開發該技術，以廣泛應用於清潔能源、交通和製造領域。 MDF 研究人員於 2022 年秋季在 ORNL 列印了流動輪原型。 專門的 3D 列印機使用兩個協調的雷射和一個旋轉的構建板來選擇性地將金屬粉末熔化成設計的形狀。
典型的金屬粉末床系統按步驟操作：在機櫃大小的機器中，它們在固定板上耙上一層粉末。 然後，雷射選擇性地熔化一層，然後板稍微降低並重複該過程。 負責 MDF 新型雷射粉末床融合系統開發的 Peter Wang 表示，用於流動輪原型的印表機足夠大，足以容納一個人進入，並且其獨特之處在於能夠在步驟同時連續發生的情況下列印大型物體。
「在相同的雷射功率下，這大大提高了生產率，」他補充道，沉積速度提高了 50%。 「我們只是觸及了該系統功能的皮毛。 我真的認為這將是雷射粉末床列印的未來，尤其是大規模和批量生產。” 王和專案團隊成員最近發表了一項研究，分析了電動馬達等列印組件技術的可擴展性。
儘管該機器很獨特，但該專案成功的關鍵是研究人員在流程自動化和機器控制方面的專業知識。 他們使用橡樹嶺國家實驗室開發的軟體將車輪設計「切片」成垂直層，然後平衡兩個雷射之間的工作量以均勻列印，利用最近提交專利保護的計算技術實現高生產率。
原型輪是該系統生產的首批零件之一，展示了機構間協作的價值。 「與 NASA 合作的計畫確實推動了這項技術的發展，」橡樹嶺國家實驗室火星車輪計畫的負責人布萊恩吉布森 (Brian Gibson) 表示，他稱其為一個里程碑。
積層製造允許將精細的設計細節（例如圓頂形狀的波浪胎面）納入原型月球輪中。 （圖片：Carlos Jones，ORNL）原型輪由鎳基合金製成，寬約 8 英寸，直徑約 20 英寸，比使用金屬粉末床系統列印的典型零件大得多。 製造它需要能夠列印分佈在大工作區域的小幾何特徵。 吉布森說，積層製造使輪圈設計變得更加複雜，而不會增加成本或製造難度。
相較之下，明年將在月球塵埃中攪拌的四個 VIPER 車輪需要多個製造流程和組裝步驟。 VIPER 的 50 片輪圈由 360 個鉚接接頭固定在一起。 為了滿足任務的嚴格要求，製造過程需要複雜且耗時的機械加工。
如果 NASA 測試證明 3D 列印原型與傳統製造的車輪一樣堅固，那麼未來的漫遊車可以改用單一列印輪圈，而 ORNL 需要 40 個小時才能製造出來。 透過此項目，橡樹嶺國家實驗室和美國太空總署工程師還探索了列印精確的設計特徵，例如傾斜的側壁、圓頂形狀和波浪形胎面，以增加車輪的剛度。 使用傳統製造方法很難將這些特性融入目前的 VIPER 車輪設計中。 儘管可以為車輪提供更複雜的輻條圖案和輻條鎖定功能，但 3D 列印簡化了車輪設計並降低了成本，並使最終組裝變得更加容易。
「許多車輪特徵的加入只是為了強調增材製造的用途，」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製造實驗室經理理查德·哈根說。 “它可以讓您輕鬆實現傳統工具甚至傳統加工零件難以實現的設計功能。” 哈根說，橡樹嶺國家實驗室印製大型物體的能力證明了增材製造技術在為月球和火星任務生產更大的火星車輪子方面的潛力。
挑戰在於，專用印表機僅使用某些材料（在本例中為鎳基合金）進行構建，因此 3D 列印的車輪比鋁 VIPER 車輪重 50%，而列印厚度相似。
NASA 計劃在 NASA 約翰遜太空中心的岩石堆場或合約測試設施的模擬月球岩石和土壤的巨型「沙箱」中測試 3D 列印車輪的性能。 評估人員將評估車輪的可操縱性、旋轉阻力、側滑、爬坡和其他性能指標。
哈根表示，積層製造具有根據測試快速更新設計的優勢。 它還可以包含更多的複雜性，例如懸吊系統，而不會增加弱點。
哈根表示，作為該機構阿耳忒彌斯計畫的一部分，在月球上設置的載人研究站將需要地外製造能力。 「能夠在太空中製造維修零件非常重要，因為你無法獲得足夠的備用零件，」他說。 “用於列印的粉末、顆粒或長絲更容易包裝，並且具有更大的靈活性。” 「積層製造提供了靈活性，如果你有原料，你就可以製造你需要的任何替換零件，無論是在太空還是在地球上，」吉布森說。 這就是為什麼積層製造引起了一系列替代需求的極大興趣的原因，從快速製造的模具到難以購買的鑄件和鍛造件。
在短短幾天內，橡樹嶺國家實驗室的研究人員利用粉末床列印技術，根據 NASA 的設計製造出了這款月球車輪。 （圖片：Carlos Jones，ORNL）雖然在ORNL 的DOE 製造演示設施（MDF）打印的原型車輪實際上不會用於NASA 月球任務，但它的設計是為了滿足與為NASA 製造的車輪相同的設計規格。毒蛇。 在將該技術用於未來的月球或火星探測器或考慮將其用於其他太空應用（例如大型結構部件）之前，計劃進行額外的測試來驗證設計和製造方法。
積層製造可以減少能源使用、材料浪費和交貨時間，同時實現設計複雜性和材料特性的客製化。 MDF 處於這項努力的最前沿，十多年來一直在開發該技術，以廣泛應用於清潔能源、交通和製造領域。 MDF 研究人員於 2022 年秋季在 ORNL 列印了流動輪原型。 專門的 3D 列印機使用兩個協調的雷射和一個旋轉的構建板來選擇性地將金屬粉末熔化成設計的形狀。
典型的金屬粉末床系統按步驟操作：在機櫃大小的機器中，它們在固定板上耙上一層粉末。 然後，雷射選擇性地熔化一層，然後板稍微降低並重複該過程。 負責 MDF 新型雷射粉末床融合系統開發的 Peter Wang 表示，用於流動輪原型的印表機足夠大，足以容納一個人進入，並且其獨特之處在於能夠在步驟同時連續發生的情況下列印大型物體。
「在相同的雷射功率下，這大大提高了生產率，」他補充道，沉積速度提高了 50%。 「我們只是觸及了該系統功能的皮毛。 我真的認為這將是雷射粉末床列印的未來，尤其是大規模和批量生產。” 王和專案團隊成員最近發表了一項研究，分析了電動馬達等列印組件技術的可擴展性。
儘管該機器很獨特，但該專案成功的關鍵是研究人員在流程自動化和機器控制方面的專業知識。 他們使用橡樹嶺國家實驗室開發的軟體將車輪設計「切片」成垂直層，然後平衡兩個雷射之間的工作量以均勻列印，利用最近提交專利保護的計算技術實現高生產率。
原型輪是該系統生產的首批零件之一，展示了機構間協作的價值。 「與 NASA 合作的計畫確實推動了這項技術的發展，」橡樹嶺國家實驗室火星車輪計畫的負責人布萊恩吉布森 (Brian Gibson) 表示，他稱其為一個里程碑。
積層製造允許將精細的設計細節（例如圓頂形狀的波浪胎面）納入原型月球輪中。 （圖片：Carlos Jones，ORNL）原型輪由鎳基合金製成，寬約 8 英寸，直徑約 20 英寸，比使用金屬粉末床系統列印的典型零件大得多。 製造它需要能夠列印分佈在大工作區域的小幾何特徵。 吉布森說，積層製造使輪圈設計變得更加複雜，而不會增加成本或製造難度。
相較之下，明年將在月球塵埃中攪拌的四個 VIPER 車輪需要多個製造流程和組裝步驟。 VIPER 的 50 片輪圈由 360 個鉚接接頭固定在一起。 為了滿足任務的嚴格要求，製造過程需要複雜且耗時的機械加工。
如果 NASA 測試證明 3D 列印原型與傳統製造的車輪一樣堅固，那麼未來的漫遊車可以改用單一列印輪圈，而 ORNL 需要 40 個小時才能製造出來。 透過此項目，橡樹嶺國家實驗室和美國太空總署工程師還探索了列印精確的設計特徵，例如傾斜的側壁、圓頂形狀和波浪形胎面，以增加車輪的剛度。 使用傳統製造方法很難將這些特性融入目前的 VIPER 車輪設計中。 儘管可以為車輪提供更複雜的輻條圖案和輻條鎖定功能，但 3D 列印簡化了車輪設計並降低了成本，並使最終組裝變得更加容易。
「許多車輪特徵的加入只是為了強調增材製造的用途，」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製造實驗室經理理查德·哈根說。 “它可以讓您輕鬆實現傳統工具甚至傳統加工零件難以實現的設計功能。” 哈根說，橡樹嶺國家實驗室印製大型物體的能力證明了增材製造技術在為月球和火星任務生產更大的火星車輪子方面的潛力。
挑戰在於，專用印表機僅使用某些材料（在本例中為鎳基合金）進行構建，因此 3D 列印的車輪比鋁 VIPER 車輪重 50%，而列印厚度相似。
NASA 計劃在 NASA 約翰遜太空中心的岩石堆場或合約測試設施的模擬月球岩石和土壤的巨型「沙箱」中測試 3D 列印車輪的性能。 評估人員將評估車輪的可操縱性、旋轉阻力、側滑、爬坡和其他性能指標。
哈根表示，積層製造具有根據測試快速更新設計的優勢。 它還可以包含更多的複雜性，例如懸吊系統，而不會增加弱點。
哈根表示，作為該機構阿耳忒彌斯計畫的一部分，在月球上設置的載人研究站將需要地外製造能力。 「能夠在太空中製造維修零件非常重要，因為你無法獲得足夠的備用零件，」他說。 “用於列印的粉末、顆粒或長絲更容易包裝，並且具有更大的靈活性。” 「積層製造提供了靈活性，如果你有原料，你就可以製造你需要的任何替換零件，無論是在太空還是在地球上，」吉布森說。 這就是為什麼積層製造引起了一系列替代需求的極大興趣的原因，從快速製造的模具到難以購買的鑄件和鍛造件。
