JPL公布2022年三大增材制造應(yīng)用亮點(diǎn)：航天器天線、電磁屏蔽器和金屬織物

2023年4月11日，南極熊獲悉，JPL機(jī)構(gòu)公布了2022年度取得的重要技術(shù)突破，這也是新主任Laurie Leshin（2022年5月16日正式上任，接替2021年8月退休的Michael Watkins）和新的首席技術(shù)專家Tom Cwik博士的第一次亮相。

美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究科學(xué)家（SRS）和負(fù)責(zé)人、全球增材制造行業(yè)的知名人士道格拉斯-霍夫曼指出，JPL增材制造的研究亮點(diǎn)主要體現(xiàn)在三個(gè)項(xiàng)目上：

• 第一個(gè)項(xiàng)目是用于航天器天線的3D打印鋁反射器，其具有拓?fù)鋬?yōu)化的背襯結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定性。這是由Paul Goldsmith領(lǐng)導(dǎo)的，大部分的打印工作由技術(shù)灌輸組的Ryan Watkins完成。
• 第二個(gè)項(xiàng)目是定向能量沉積（DED）高性能磁屏蔽的開(kāi)發(fā)，這種技術(shù)允許用磁性材料（如 mumetal）和用于磁性應(yīng)用的功能梯度多金屬合金生產(chǎn)復(fù)雜的形狀，這項(xiàng)工作是由Samad Firdosy領(lǐng)導(dǎo)的。
• 最后一個(gè)項(xiàng)目是霍夫曼與加州理工學(xué)院在《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于干擾3D打印織物的工作。這項(xiàng)工作在Tent Bordeenithikasem的領(lǐng)導(dǎo)下，在與加州理工學(xué)院的新合作中獲得了新的生命，即利用打印織物制造形狀改變的天線。
  

霍夫曼說(shuō)："增材制造在美國(guó)宇航局的航天器和漫游車上的應(yīng)用仍有許值得探索的地方。除了火星車上的打印部件外，JPL在增材制造方面取得的最大成就之一是建立了鋁和鈦部件的LPBF工藝，使得打印部件能夠滿足飛行要求。這將允許我們能夠?yàn)楹教炱骱吐�游車打印零件，也能幫助美�?guó)宇航局其他中心的工作。"

航天器上的3D打印織物

JPL已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的3D打印織物，在太空中部署后可以硬化變成所需的形狀。這些形狀變形材料的靈感來(lái)自于鏈?zhǔn)窖b甲，通過(guò)打印互鎖的薄片單元來(lái)制造，這些單元可以各自獨(dú)立地移動(dòng)一小段距離，允許定制配置，非常適合特定用途。然后，這些靈活的薄片可以被卷起或折疊成非常小的尺寸，以便裝入火箭整流罩進(jìn)行發(fā)射。創(chuàng)建一個(gè)可變形的結(jié)構(gòu)需要對(duì)最終的剛性結(jié)構(gòu)有一個(gè)大致但未必精準(zhǔn)的了解，以及設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)幕ユi單元。

片材可以在其柔性狀態(tài)下被塑形，并且可以通過(guò)改變壓力來(lái)調(diào)整剛度，以達(dá)到所需的形狀。然后，當(dāng)相鄰的片材卡在一起時(shí)，就會(huì)對(duì)它們施加力，使其互鎖成一個(gè)最終的剛性結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)性織物在美國(guó)宇航局的任務(wù)和消費(fèi)產(chǎn)品中都有許多潛在的應(yīng)用。它們可以被用作可部署的輻射器、天線、太陽(yáng)能電池板、輻射防護(hù)毯或微流星體防護(hù)罩。它們還可以作為暴露在長(zhǎng)期微重力環(huán)境下的宇航員的身體塑形外骨骼。

在地球上，這種結(jié)構(gòu)性織物可用于醫(yī)療保健領(lǐng)域，作為自適應(yīng)石膏，在受傷愈合時(shí)調(diào)整其硬度，或作為消防員或士兵的吸收沖擊的衣服。它們具有可折疊和可收放的特點(diǎn)，一旦進(jìn)入太空就會(huì)展開(kāi)成更大的剛性形狀，這將導(dǎo)致形成更大的、可定制的部件，以獲得最佳性能。

增材制造電磁屏蔽裝置

使用送粉固結(jié)技術(shù)制造的多材料磁屏蔽裝置極大改善了屏蔽性能。隨著美國(guó)宇航局的機(jī)器人航天器探測(cè)來(lái)自恒星、行星和其他目標(biāo)的微弱信號(hào)的能力越來(lái)越強(qiáng)，它們也對(duì)來(lái)自諸如反應(yīng)輪、電動(dòng)馬達(dá)和冷卻系統(tǒng)等機(jī)載機(jī)械的干擾也越來(lái)越敏感。

例如，任何使用電動(dòng)馬達(dá)的東西，對(duì)敏感的磁力計(jì)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)問(wèn)題。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電子 "噪音 "設(shè)備被金屬外殼所屏蔽。使這些設(shè)計(jì)復(fù)雜化的是需要?jiǎng)?chuàng)造復(fù)雜的形狀，以最大限度地提高電磁屏蔽的有效性，而這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)可能非常難以制造。JPL所使用的新技術(shù)正在充分利用增材制造的優(yōu)勢(shì)，能夠比以前更快、更容易地創(chuàng)造出更好的磁屏蔽裝置。

JPL所使用是一種被稱為送粉激光沉積的工藝，它是通過(guò)惰性氣體將金屬粉塵從噴嘴中導(dǎo)出，隨后進(jìn)入一個(gè)高功率激光器所發(fā)射的高能光束中完成熔化和沉積。由此產(chǎn)生的熔化的金屬塊與新出現(xiàn)的部件相融合，在計(jì)算機(jī)控制下逐層建立起來(lái)。通過(guò)改變粉末的成分，不同的金屬合金可以被沉積在它們最有效的地方。這使我們能夠創(chuàng)造出用任何其他方法都無(wú)法制造的奇特部件，而且所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于目前的工藝。其結(jié)果是以更小的質(zhì)量和更低的成本實(shí)現(xiàn)更有效的屏蔽性能，從而制備出性能更優(yōu)的航天器，且比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的任何同類部件都要更小更輕。

增材制造天線

在2022年的另一項(xiàng)JPL技術(shù)亮點(diǎn)中，他們采用增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種具有高性能、熱穩(wěn)定性的天線，可應(yīng)用到天文領(lǐng)域和遙感領(lǐng)域。為航天器和高空氣球設(shè)計(jì)和制造天線是很困難的。就其本質(zhì)而言，天線是笨重的，建造它們以承受飛行的壓力并保持尺寸的穩(wěn)定性一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，用于各種地球觀測(cè)、行星科學(xué)和天文學(xué)應(yīng)用的亞毫米級(jí)天線也可能是脆弱的。由于它們?cè)谖⑿〉牟ㄩL(zhǎng)上工作，它們必須沒(méi)有最微小的缺陷才能正常工作，并能在廣泛的溫度范圍內(nèi)工作。

傳統(tǒng)上，這些天線的制造是使用玻璃形式來(lái)創(chuàng)建天線的表面，在其上沉積一層薄的反射材料，如鎳。然后將一個(gè)由金屬蜂窩或條帶制成的支撐結(jié)構(gòu)粘在背面。這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)和嚴(yán)格，而且容易出現(xiàn)制造錯(cuò)誤。由此產(chǎn)生的天線在極端溫度下工作時(shí)也有潛在的缺點(diǎn)，因?yàn)椴牧系呐蛎浐褪湛s速度不同，會(huì)給天線帶來(lái)應(yīng)力，并可能出現(xiàn)不均勻的變形。

JPL的工程師們正在試驗(yàn)一種新的工藝，這種工藝涉及到增材制造。該工藝不僅成本低，可以很容易地適應(yīng)不同的應(yīng)用，并且可以直接完成制造。這種新方法使用單一的材料來(lái)創(chuàng)建支撐結(jié)構(gòu)和反射表面，從而大大簡(jiǎn)化了制造過(guò)程和單一的膨脹系數(shù)，使得整個(gè)裝置對(duì)溫度變化的反應(yīng)是一致的。這導(dǎo)致天線上的應(yīng)力更少，變形更小，在使用過(guò)程中能夠提供極優(yōu)的信號(hào)。

通過(guò)使用鋁粉打印天線，可以在輕量化的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出更復(fù)雜的天線設(shè)計(jì)，從而獲得使用傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法制造的復(fù)雜優(yōu)化形狀。通過(guò)使用復(fù)雜的設(shè)計(jì)軟件，天線的支撐組件可以根據(jù)需要做得更薄或更厚，這有助于進(jìn)一步促進(jìn)更高性能、更高效設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。