近日，3D打印技術(shù)參考注意到美國(guó)國(guó)家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（NASA Jet Propulsion Laboratory，JPL）發(fā)布了2022年技術(shù)應(yīng)用亮點(diǎn)報(bào)告，包括高級(jí)高保真緊湊成像光譜儀、深空太陽(yáng)能陣列、量子電容探測(cè)器等共32項(xiàng)，其中關(guān)于3D打印技術(shù)的應(yīng)用就涉及三項(xiàng)。

本期內(nèi)容將詳細(xì)介紹被JPL實(shí)驗(yàn)室納入技術(shù)亮點(diǎn)的3D打印技術(shù)應(yīng)用，同時(shí)需要注意的是，該實(shí)驗(yàn)室是3D打印技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的重要機(jī)構(gòu)，代表案例便是在毅力號(hào)火星車(chē)上的重要應(yīng)用。

01. 3D打印仿生結(jié)構(gòu)精細(xì)亞毫米天線(xiàn)

為航天器和高空氣球設(shè)計(jì)和制造天線(xiàn)是很困難的。從本質(zhì)上講，天線(xiàn)體積龐大，在太空發(fā)射過(guò)程中要承受巨大飛行壓力同時(shí)要保持尺寸穩(wěn)定，因此其制造一直是重要挑戰(zhàn)。亞毫米天線(xiàn)用于各種地球觀測(cè)、行星科學(xué)和天文學(xué)應(yīng)用，需要在微小波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作，因此其制造過(guò)程不能引入缺陷，以保證其能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)工作。

傳統(tǒng)上，這些天線(xiàn)采用玻璃制作，在天線(xiàn)表面沉積一層薄的反光材料（如鎳），背面則粘貼一個(gè)由金屬蜂窩或金屬條制成的支撐結(jié)構(gòu)。其制造過(guò)程耗時(shí)且容易出錯(cuò)，在極端溫度下工作時(shí)也有潛在的缺點(diǎn)，由于材料會(huì)以不同的速率膨脹和收縮，可能給天線(xiàn)帶來(lái)應(yīng)力和不均勻的變形。

JPL實(shí)驗(yàn)室的工程師試驗(yàn)了3D打印新工藝，其成本低，可以很容易適應(yīng)不同的應(yīng)用。這種新方法使用單一材料來(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，并獲得了統(tǒng)一的膨脹系數(shù)。這使得整個(gè)單元對(duì)溫度變化的反應(yīng)一致，天線(xiàn)上的應(yīng)力更小，變形更少，能夠在使用過(guò)程中提供更好的信號(hào)。

具有仿生設(shè)計(jì)的鋁合金反射鏡（直徑20cm）

3D打印的直徑10cm的對(duì)稱(chēng)拋物面反射器的反射表面和背部結(jié)構(gòu)

研究團(tuán)隊(duì)使用鋁粉打印了仿生結(jié)構(gòu)天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了采用更少質(zhì)量創(chuàng)建更復(fù)雜的天線(xiàn)設(shè)計(jì)的突破，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)優(yōu)化形狀。通過(guò)使用復(fù)雜的設(shè)計(jì)軟件，天線(xiàn)支撐元件可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)厚度，這進(jìn)一步有助于提高性能，進(jìn)行高效設(shè)計(jì)。

事實(shí)證明，經(jīng)過(guò)仿生設(shè)計(jì)的反射鏡（直徑20cm）顯示了高度優(yōu)化的背部結(jié)構(gòu)，它只能通過(guò)計(jì)算機(jī)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)加工來(lái)制造，而3D打印技術(shù)簡(jiǎn)化了這種天線(xiàn)的制造方式。事實(shí)證明，3D打印技術(shù)能夠制造高性能、熱穩(wěn)定的天文和遙感天線(xiàn)。?

02. 3D打印多材料高性能磁屏蔽器

隨著美國(guó)宇航局的機(jī)器人航天器越來(lái)越有能力探測(cè)來(lái)自太空的微弱信號(hào)，它們對(duì)機(jī)載機(jī)械的干擾也越來(lái)越敏感。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電子“噪聲”設(shè)備使用金屬外殼屏蔽。

為了優(yōu)化它們的性能，這些外殼傳統(tǒng)上采用減材加工高強(qiáng)度的金屬塊制造而來(lái)，既昂貴又耗時(shí)，且材料浪費(fèi)極為嚴(yán)重。而最大限度提高電磁屏蔽的有效性，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)的復(fù)雜形狀卻又造成難以制造。

采用DED工藝打印磁屏蔽結(jié)構(gòu)

JPL實(shí)驗(yàn)室使用的新技術(shù)利用了增材制造的優(yōu)勢(shì)，能比以往任何時(shí)候都更快、更容易制造出性能更好的磁屏蔽結(jié)構(gòu)。激光能量沉積工藝結(jié)合激光和粉末，利用送粉方式在計(jì)算機(jī)控制下一層一層打印零件，同時(shí)能夠通過(guò)改變粉末的成分，在最有效的地方沉積不同的金屬合金，從而使多材料磁屏蔽制造成為可能，提高了屏蔽性能。

這是傳統(tǒng)其他制造工藝所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，所需的時(shí)間也大大減少。與以前相比，3D打印得以用更小的質(zhì)量和更低的成本實(shí)現(xiàn)更有效的屏蔽。

03. 3D打印可變形航天器結(jié)構(gòu)

一些太空任務(wù)組件，如天線(xiàn)和居住模塊，體積龐大，受到火箭整流罩尺寸的限制。而如果不考慮這一因素，可發(fā)射組件可以更大，功能也會(huì)更強(qiáng)，這在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)也許能夠?qū)崿F(xiàn)。

JPL團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的3D打印織物，在太空部署后可以變化為所需的形狀。這些形狀變形材料的靈感來(lái)源于鏈甲，通過(guò)打印互鎖的粒子來(lái)制造，每個(gè)粒子都可以獨(dú)立移動(dòng)一小段距離，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)定制，非常適合特定用途。然后，這些柔性結(jié)構(gòu)可以被卷成或折疊成非常小的尺寸，裝入火箭整流罩進(jìn)行發(fā)射。

JPL團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)3D打印織物

創(chuàng)建一個(gè)可變形的結(jié)構(gòu)需要對(duì)最終的剛化結(jié)構(gòu)有一個(gè)一般但不一定精確的認(rèn)知，以設(shè)計(jì)合適的互鎖粒子。這些結(jié)構(gòu)片材可以在有柔性的情況下成形，并且可以通過(guò)改變壓力來(lái)調(diào)節(jié)剛度以獲得所需的形狀。然后，對(duì)相鄰的結(jié)構(gòu)施加力，使它們擠在一起，聯(lián)鎖成最終的剛性結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)參考注意到，該研究還曾以《Structured fabrics with tunable mechanical properties》為題發(fā)表于Nature。

這些結(jié)構(gòu)織物在NASA任務(wù)和消費(fèi)產(chǎn)品中都有許多潛在的應(yīng)用。它們可以用作可展開(kāi)的散熱器、天線(xiàn)、太陽(yáng)能電池板、輻射防護(hù)毯或微流星體防護(hù)罩。它們也可以作為暴露在長(zhǎng)時(shí)間微重力環(huán)境下的宇航員的身體外骨骼；在地球上，這種結(jié)構(gòu)織物可以用于醫(yī)療保健，作為自適應(yīng)組件，在傷口愈合時(shí)調(diào)整其硬度，或者作為消防員或士兵的抗沖擊服裝。它們的特點(diǎn)是可折疊和可裝載，然后在太空中展開(kāi)成更大的剛性形狀，這將可以制造更大的可定制組件和形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳性能。

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