研究人員與NASA合作，成功3D打印揮發(fā)物極地探測車車輪原型

2023年10月9日，南極熊獲悉，美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員與NASA合作，通過成功3D打印與NASA揮發(fā)物極地探測車（VIPER）設計相同的輪子。該項目展示了增材制造在太空探索中的潛力，即可以通3D打印技術來提升太空探索的效率和可靠性。

△NASA機械設計工程師Richard Hagen和ORNL研究員Michael Borish，在檢查3D打印月球車輪原型

揮發(fā)物極地探測車是美國宇航局計劃于2024年發(fā)射道月球的移動機器人，用于繪制月球南極的冰和其它潛在資源地圖。該任務旨在幫助確定月球水的來源和分布，以及是否可以從月球表面收集足夠的水，來支持未來在那里的人類居住。

盡管在橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的制造示范設施（MDF）中打印的原型車輪，不會直接用于NASA的登月任務，但其設計目的是制造與探測車相同設計規(guī)格的部件，以供未來用于月球或火星探測器等任務。同時，進行了額外的測試以驗證設計和制造方法。

MDF表示，增材制造可以減少能源使用、材料浪費和交貨時間，同時實現(xiàn)設計復雜性和材料特性的定制。十多年來，該機構一直在開發(fā)3D打印技術，以廣泛應用于清潔能源、交通和制造領域。

△位于橡樹嶺國家實驗室的旋轉PBF系統(tǒng)（左）和GE全球研究院的原始系統(tǒng)示意圖（右）

MDF研究人員在2022年秋季在橡樹嶺實驗室，使用專用的3D打印機制造了一個流動輪的原型。該打印機使用了兩個協(xié)調的激光器和一個旋轉構建板，以有選擇性地將金屬粉末熔化成所需的設計形狀。

典型的金屬粉末床系統(tǒng)按步驟操作：在機柜大小的機器中，它們在固定板上耙上一層粉末。然后，激光選擇性地熔化一層，然后板稍微降低并重復該過程。負責MDF新型激光粉末床融合系統(tǒng)開發(fā)的Peter Wang表示，這個3D打印機的獨特之處在于它能夠在一個連續(xù)的過程中打印大型物體，即在制造大尺寸物品時，所有步驟可以同時進行，而不需要多個獨立的步驟。這可以提高效率并加快大型物體的制造速度。

△盡管可以為車輪提供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

成本與設計優(yōu)化同時受益

Wang補充道：“在相同的激光功率下，這極大地提高了生產率。沉積速度加快了50%。我們只是觸及了該系統(tǒng)功能的表面。我真的認為這將成為激光粉末床打印的未來，特別是在大規(guī)模和批量生產中�！�

△項目團隊成員最近在《3D打印和增材制造》雜志上發(fā)表了一項研究，分析了打印電動機等組件技術的可擴展性（傳送門）

雖然該機器非常獨特，但該項目成功的關鍵在于，研究人員在過程自動化和機器控制方面的專業(yè)知識。他們使用橡樹嶺國家實驗室開發(fā)的軟件，將車輪設計垂直分層進行“切片”，然后平衡兩個激光器之間的工作負載以均勻打印，利用最近提交專利保護的計算技術來實現(xiàn)高生產率。

原型輪是該系統(tǒng)生產的首批部件之一，展示了機構間協(xié)作的價值。橡樹嶺國家實驗室火星車輪項目的負責人Brian Gibson說道：“與NASA合作的項目確實推動了這項技術的發(fā)展。將功能與發(fā)展需求聯(lián)系起來真是太棒了，團隊很高興能夠制作具有太空探索應用的原型組件�！�

該原型輪由鎳基合金制成，寬約8英寸，直徑約20英寸，比使用金屬粉末床系統(tǒng)打印的典型零件大得多。制造它需要能夠打印分布在大工作區(qū)域的小幾何特征。Gibson說，增材制造使輪圈設計變得更加復雜，而不會增加成本或制造難度。

△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

傳統(tǒng)制造與3D打印的區(qū)別

相比之下，明年將在月球探測的四個VIPER車輪，需要多個制造工藝和組裝步驟。VIPER的50片輪輞由360個鉚接接頭固定在一起。目的是為了滿足任務的嚴格要求，制造過程需要復雜且耗時的機械加工。

如果NASA測試證明3D打印原型與傳統(tǒng)制造的車輪一樣堅固，那么未來的漫游車可以改用單個打印輪圈，而ORNL需要40個小時才能制造出來。通過該項目，橡樹嶺國家實驗室和美國宇航局工程師還探索了打印精確的設計特征，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(tǒng)制造方法很難將這些特性融入到當前的VIPER車輪設計中。盡管可以為車輪提供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。

NASA機械設計工程師兼NASA休斯敦約翰遜航天中心增材制造實驗室經理Richard Hagen表示：“車輪的許多功能只是為了強調增材制造的用途。橡樹嶺國家實驗室打印大型物體的能力，證明了增材制造技術在為月球和火星任務生產更大的火星車輪方面的潛力。

在3D打印過程中，他們也遇到挑戰(zhàn)，專用打印機僅能使用某些特定材料（例如鎳基合金），因此3D打印的車輪比鋁VIPER車輪重50%，但打印厚度相似。

下一步NASA計劃會進一步在約翰遜航天中心或指定測試機構測試3D打印車輪的性能。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。

研究人員表示，3D打印具有根據(jù)測試快速更新迭代的優(yōu)勢。它還可以包含更多的復雜性，例如懸架系統(tǒng)，而不會增加弱點。

Hagen表示，作為該機構阿耳忒彌斯計劃的一部分，在月球上設置的載人研究站將需要地外制造能力。他說：“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、顆粒或長絲更容易包裝，并且具有更大的靈活性�！�

Gibson強調，通過3D打印的靈活性，我們可以使用現(xiàn)有原料制造所需的各種零件，無論是在地球還是太空中。