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看完《金属3D打印机如何在宇宙空间运用》大吃一惊

  微重力环境下的3D打印技术越来越引起科学家和航空工程师的兴趣,尤其是在国际空间站的应用。德国和法国的研究人员在最近出版的《微重力环境下的印刷》中探索了”支持重力下金属部件的3D打印机“,该研究团队致力于创造在太空工作和生活的策略,研究金属添加剂制造可能面临的挑战——几乎没有重力。

 

  增材制造对世界上许多不同的公司和组织来说都是一件好事,尤其是航空航天领域美国宇航局。因为制造备件可能非常昂贵,也非常具有挑战性,3D打印和调幅工艺带来的好处非常诱人,比如以指数级增长的价格、生产速度等,包括机器人的集成。

 

  在这项研究中,研究人员的目标是在1到500毫米的空间制造金属零件。也可以制造更大的结构,允许航天器上的绝大部件通过激光束熔化(LBM)和从钛到镍基合金的各种材料制造。

 

  LBM技术目前正在许多不同的应用中使用,包括:

  ● 汽车制造

  ● 宇宙空间

  ● 工具制造

  ● 医学领域

 

  “选择LBM作为制造航空航天部件的工艺主要是基于加工部件所需原材料与部件本身重量之间的重量比。”研究人员表示:“对于传统的制造技术,飞行部件的这种‘购买-飞行’比率可能高达15-20,增加了部件的材料和加工成本。”

 

  LBM工艺的购买与飞行比率几乎为1,它提供了一系列好处,首先是零件可以制造成任何复杂的形状,由粉末制造而成,几乎不会产生任何浪费。处理备件至关重要——尤其是在国际空间站。

 

  “在空间站或太空行走中丢失一个工具,对宇航员和任务的完成都将面临重大挑战。“研究人员说。“尽管进行了仔细的跟踪,国际空间站上平均大约有2%的备件(总计约2000个部件)都会有丢失的情况。”

 

  3D打印是合乎逻辑的选择,因为3D文件可以通过电子邮件发送,以便按需在现场创建零件。有了一个“虚拟工具箱”就可以随时工作了。依靠地球发送的文件,宇航员们可以看到他们的工作在未来更加精简——尤其是他们生活在远至火星的地方,在那里再补给任务很少或不可能。然而,这在很大程度上取决于微重力制造的成功,以及对3D打印机和随机组人员一起发送的材料的要求。

                

  到达国际空间站、月球和火星所需的时间是它们到地球距离的函数。到达相应目标所需的行驶时间值基于不同飞行轨迹和机动的文献值。所考虑的地球-月球距离是在近地点;对于地球-火星距离,填充符号显示平均最小距离,大约每26个月达到一次。开放符号显示了地球-火星的最大距离和假设的飞行时间,尽管飞行任务只有在火星接近其最小距离时才是可行的。

 

  目前,国际空间站使用的是FDM 3D打印机,宇航员们制造了许多重要的3D打印部件,主要是工具形式,这是一项巨大的成就,但FDM打印机对他们未来不断扩大的需求来说可能过于基础,而功能性却又是重中之重。

               

  【粉末沉积装置示意图。粉末沉积用多孔建筑平台的面积为106.5 × 85.5 mm2。】

 

  “特别是基于激光的调幅将使得在太空中制造高性能金属和热塑性聚合物成为可能,”研究人员说。

 

  以前在泰囧生产粉末是有一定的难度的,研究小组解释说,现在新的技术可以使LBM工艺适合于室内环境,通过在粉末床中产生气流来稳定太空中的粉末,多孔建筑平台被用作过滤器,用于“固定气流中的金属颗粒”。

               

  【不锈钢球体在不同加速度值和不同颗粒尺寸下的阻力Fd和重力Fg比较】

 

  “可以看出,气流提供的阻力相当,甚至超过了作用在颗粒加速度条件下的力(%3C0.01g)对于直径为38米的颗粒(这项工作中使用的粉末的D50),”研究人员总结说。

 

  “12毫米扳手由LBM at ‐g条件制造,这项研究是全球第一个金属工具。此外,抛物线飞行提供了不同的加速度,即超重力(1.8g),‐g (%3C0.01g),和1g。在零件微观结构的第一次调查中,与1g吻合的条件已经找到了。因此,目前的工作已经提出了关于LBM工艺可行性的第一批结果,该工艺用于额外制造准备在空间使用的金属部件。"

                

  【在不同g条件、俯视图和倾斜侧视图下制造的样品;左:1g;对:‐g .】

 

  除了空间技术之外,金属3D打印今天还包含许多不同的技术,用于各种不同的工业用途,以及许多不同类型的粉末和材料陶器的到纳米复合材料到铜。

                               

 

  【a)沉积室的俯视图,显示激光扫描仪和光学器件、两个氧传感器、两个压力计和两个过压安全阀;b)抛物线飞行后清洁过程中沉积单元的视图,显示LBM生产的扳手仍部分嵌入粉末床;c)多孔金属基板和重力制造的扳手的俯视图;d)重力制造的12毫米扳手,与基板分离后。基板的尺寸为106.5 × 85.5 mm2。】


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