3D打印助力开发地球外空间

据俄罗斯卫星通讯社sputniknews报道,利用3D计算机技术,通过逐层累积材料合成物体的增材制造技术,正日益成为太空设备制造领域的最前沿。科学家认为,3D打印可以显著加快开发地球外空间的速度。如何优化3D打印机的 “太空制造” ,并提高打印构件的安全性?如何使用新技术为纳米卫星创建超轻光学系统?来自俄罗斯大学(”5-100″计划成员)的研究人员介绍了他们的最新进展。

新方法的主要优点之一在于一台3D打印机可以代替传统工厂的大量设备。 2020年11月,《福布斯》杂志将增材制造技术(来自拉丁语additivus-增加)列入值得企业家关注的五项革命性新技术清单。文章作者指出,增材制造技术将为航空航天产业带来巨大的好处,在该领域,产品重量通常是影响运输成本的最主要因素。
太空3D打印可以显著加快开发地球外空间的速度;增材制造技术也正在积极渗透到火箭制造行业。

2020年5月30日,参加了Crew Dragon航天器和猎鹰9号火箭发射的宇航员罗伯特·贝肯和道格·赫利的头盔是使用3D打印技术量身定制的。

SpaceX航空航天公司的负责人埃隆·马斯克表示,使用3D打印,可以制造耐用的高性能发动机零件,而花费的时间和资金只是使用传统制造方法的一小部分。还在2014年,SpaceX就已经制造出首个3D打印构件。

“蓝色起源”航空航天公司杰夫·贝佐斯使用增材制造技术打印BE-4发动机组件。来自美国(相对论空间)和英国(奥贝克斯)的年轻火箭公司也计划充分利用3D打印机的可能性。

提高3D-构件的安全性

与此同时,3D打印的构件,即使存在最细微的缺陷,对于所创建设备的安全性也至关重要。国立研究型技术大学MISIS(NUST MISIS)的科学家们能够改善铝的3D打印技术,使产品的硬度提高了1.5倍。

NUST MISIS的研究人员认为,此类缺陷的主要风险是材料的高孔隙率,其原因之一是原始铝粉的特性。为了确保打印产品的微观结构均匀且致密,科学家提出了向铝粉中添加碳纳米纤维的方法,以确保材料的低孔隙率并使其硬度提高1.5 倍。研究结果发表在《Composites Communications》杂志上。

NUST MISIS的教授亚历山大·格罗莫夫介绍说:”碳纳米纤维具有高导热性,有助于在产品合成过程中,在选择性激光熔化阶段最小化打印层之间的温度梯度。因此,材料微观结构的不均匀性几乎可以完全消除。”

所使用的碳纳米纤维是加工油田伴生气的副产品。在其催化分解过程中,碳以纳米纤维的形式积聚在催化剂分散的金属颗粒上。科学家们还指出,通常伴生气在油气田“放空燃烧”,对环境造成危害,因此使用这种新方法具有重要的环保意义。

优化“太空制造”

埃隆·马斯克和其他专家们确信,3D打印可助力未来的太空开发,例如殖民火星。

要在火星上生存,就需要能够在那里开始生产,并且最好利用当地的材料。 3D打印机可被用来建基地,并在那里构建生存环境。

即使是现在,在国际空间站(ISS)的工作中,获取材料的问题也仍然很严重,下一艘货运飞船宇航员不得不等几个月。有时侯重要的小零件损坏或丢失,例如,电触头的塑料插头经常丢失。在这种情况下, 3D打印机在太空打印塑料产品可以解决此问题。 未来,在星际飞行期间,可获得性问题将变得更加尖锐,对这种打印机的需求必将增加。

2016年,NASA委托Made in Space公司在国际空间站安装一台永久的3D打印机,以生产宇航员可能需要的工具、设备和其它任何东西。随后,一些欧洲、中国和其它的公司也宣布制造类似的机器。

研制3D打印机的研究人员,托木斯克理工大学(TPU)的科学家表示,俄罗斯生产的3D打印机将于2021年进入太空,其优势是一个更先进的模块化系统,能够实现设备升级和维修。因此,当3D打印材料从简单的塑料转向超结构或复合材料时,工程师将不必像今天美国同事那样制造新的打印机,然后将其交付给 ISS使用。

TPU现代生产技术科学和生产实验室负责人瓦西里·费多罗夫说:”现在,3D 打印机的工作布局进入最后阶段。对发送到 ISS 的设备在耐机械、气候和其它负载方面有严格的要求。此外,要确保3D打印机对宇航员绝对安全。现在,所有这一切都在检查中,进行了一系列测试和检验。同时,对专门为该打印机设置的软件进行改进。”

为纳米卫星创建超轻型光学系统

3D打印的可能性使萨马拉大学的科学家们能够为纳米卫星创建一个独特的超轻光学系统,该系统具有衍射光学器件。 研究人员说,这将是世界上第一个带衍射光学器件的透镜进入太空。
光学系统的核心是在大学研制出的平面衍射透镜,它具有独特的特性。 基于这种透镜的镜头取代了现代远射镜头的透镜系统,其特性是重量轻(与光学部件一起重量小于100克)和尺寸微小。

该镜头具有创新的仿生形状外壳,采用最佳技术设计,在保持强度特性的同时最大限度地减轻重量。 航天器部件复杂的外部形状和内部结构是在SLM280HL选择性激光融合设备上进行3D打印的。

据科学家介绍,为了尽量减轻部件的重量,在其内部结构中进行了拓扑优化,其结果是增加了特殊的蜂窝块。 部件的尺寸为70×80×100毫米,由于使用增材制造技术,其重量比传统方法制造的类似部件减轻了约40%。

萨马拉大学发动机生产技术教研室副教授维塔利·斯梅洛夫介绍说:”该透镜的外壳由AlSi10Mg铝合金粉末制成。 俄罗斯生产的合金在俄罗斯国内外都享有盛誉。 在航天和航空领域,重量是主要特性,业内一直都在设法降低该指标”。

科学家们对原始结构进行了多阶段拓扑优化,获得并分析了几种形式。

萨马拉大学研究员安东·阿加波维奇夫表示:”我们与CADFEM CIS拓扑优化和增材制造技术领域的专家合作,进行了大量工作,以获得一种新型结构形式,满足世界航天工业公司的现代要求。“

据科学家介绍说,同类产品,比如立方体卫星壁虎成像仪(Gecko Imager)的镜头,其价格是2万3千欧元,而他们正在开发的光学系统的价格将会低得多。

在国家“教育”项目框架内实施的“ 5-100”计划旨在帮助俄罗斯大学增强科研潜力,提高在全球教育服务市场中的竞争地位。