3D打印技術(shù)參考注意到，美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)和NASA的研究人員于近日展示雙方合作3D打印的月球車車輪原型，顯示了該技術(shù)在制造對太空探索至關(guān)重要的專用部件方面的潛力。

該部件基于一輛名為揮發(fā)物調(diào)查極地探測車(縮寫為VIPER)的月球車，它是NASA“阿耳忒彌斯”(Artemis)計(jì)劃的一部分，負(fù)責(zé)探尋月球極地的水資源。此次3D打印的月球車車輪就是基于該探測車的設(shè)計(jì)，NASA打算在2024年部署這款探測車，用于繪制月球南極的冰和其他資源地圖。

ORNL和NASA 3D打印的月球車車輪原型，將對其進(jìn)行測試并與傳統(tǒng)制造的車輪進(jìn)行比較

NASA機(jī)械設(shè)計(jì)工程師（左）和ORNL研究員（右）檢查3D打印的月球車輪原型（圖片來源：CarlosJones，ORNL/美國能源部）

該原型車輪由鎳基合金制成，寬度約203mm，直徑為508mm。使用3D打印，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的輪圈設(shè)計(jì)，沒有額外的成本或制造挑戰(zhàn)。相比之下，實(shí)際將在月球上工作的VIPER車輪需要多個(gè)制造工藝和組裝步驟，VIPER的50片輪輞由360個(gè)鉚接接頭固定在一起。為了滿足任務(wù)的嚴(yán)格要求，制造過程需要復(fù)雜且耗時(shí)的機(jī)械加工。

如果3D打印的車輪與傳統(tǒng)制造的車輪的堅(jiān)固性相匹配，未來的探測器車輪可能會選擇這種單打印輪圈，該輪圈在ORNL只花了40個(gè)小時(shí)就生產(chǎn)出來。3D打印工藝引入了傾斜側(cè)壁、圓頂形狀和波浪形胎面等功能，從而增強(qiáng)了車輪的剛度。

3D打印允許將精細(xì)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)（如圓頂形狀的波浪胎面）納入原型月球輪中（圖片來源：CarlosJones，ORNL/美國能源部）

美國宇航局機(jī)械設(shè)計(jì)工程師兼休斯敦美國宇航局約翰遜航天中心增材制造實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理理查德·哈根表示，“許多車輪特征的加入只是為了強(qiáng)調(diào)增材制造的用途，它可以輕松實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工具甚至傳統(tǒng)加工難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)功能?！北M管3D打印的輪子原型并非注定要登上月球，但其符合NASA VIPER輪子的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步的測試將評估這種設(shè)計(jì)及其制造方法，以用于未來的太空任務(wù)。

增材制造可以減少能源消耗、材料浪費(fèi)和交貨時(shí)間，還支持復(fù)雜的設(shè)計(jì)并允許定制材料屬性。美國能源部的制造示范設(shè)施十多年來一直引領(lǐng)此類技術(shù)，并于2022年使用3D打印機(jī)開發(fā)了車輪原型。這臺打印機(jī)的大小足以容納一個(gè)人，其配備兩臺同步激光器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)的構(gòu)建板，以選擇性地將金屬粉末熔化成所需的結(jié)構(gòu)。

打印月球車輪原型的團(tuán)隊(duì)成員在3D打印機(jī)前展示成果（圖片來源：CarlosJones，ORNL/美國能源部）

“在相同的激光功率下，這極大提高了生產(chǎn)率”，負(fù)責(zé)新型激光粉末床熔融系統(tǒng)開發(fā)的Peter Wang表示，并補(bǔ)充說沉積速度提高了50%?！拔覀冎皇怯|及了該技術(shù)的皮毛，我真的認(rèn)為這將是激光粉末床打印的未來，尤其是大規(guī)模和批量生產(chǎn)?！蓖鹾晚?xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員最近發(fā)表了一項(xiàng)研究，分析了電動機(jī)等打印組件技術(shù)的可擴(kuò)展性。

3D打印簡化了車輪設(shè)計(jì)并降低了成本

盡管為車輪提供了更復(fù)雜的輻條結(jié)構(gòu)和鎖定功能，但3D打印簡化了車輪設(shè)計(jì)并降低了成本，并使最終組裝制造變得更加容易。Wang強(qiáng)調(diào)，打印機(jī)的獨(dú)特性與團(tuán)隊(duì)在自動化和機(jī)器控制方面的專業(yè)知識相匹配。研究人員利用橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的軟件將車輪的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分割——兩個(gè)激光器可均勻分配工作——從而實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。

該打印機(jī)僅適用于特定材料，因此也有局限性。當(dāng)打印厚度相似時(shí)，3D打印的車輪比VIPER的鋁制車輪重50%。NASA打算在NASA約翰遜航天中心或?qū)ｉT的測試設(shè)施的流動站上測試這種3D打印車輪的性能，評估各種性能指標(biāo)。

揮發(fā)物調(diào)查極地探測車(VIPER)

作為阿耳忒彌斯計(jì)劃的一部分，在月球上建立的載人研究站將需要地外制造能力。“能夠在太空中制造維修零件非常重要，因?yàn)槟銦o法獲得足夠的備件，用于打印的粉末、顆?；蜷L絲更容易包裝，并且具有更大的靈活性“，哈根表示。

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員監(jiān)測原型月球輪的打印過程

“增材制造提供了靈活性，只要有原料，就可以制造所需要的任何替換零件，無論是在太空還是在地球上，”橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室火星車輪項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人布萊恩·吉布森表示。這就是增材制造引起一系列替代需求的原因，從快速制造的模具到難以采購的鑄件和鍛件。對于太空探索，3D打印最終可以使用來自月球或火星的當(dāng)?shù)夭牧献鳛樵稀?br/>

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請點(diǎn)擊轉(zhuǎn)載須知。