多图:航天制造中的3D打印盘点

3D打印快讯
2020
07/23
09:43
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来源:江苏激光联盟  

导读:随着中国新一代载人飞船试验船进入太空开展在轨验证,中国实施了多项太空3D打印技术在轨实验,碳纤维复合材料3D打印与金属/陶瓷立体光刻微米级精度3D打印制造均在国际上实现零的突破。马斯克的民营航天火箭发射成功,让民用航天得到证实,普通人们到太空中进行旅行就更指日可待。在航天中3D打印的应用,让3D打印 的应用和普及起到了推波助澜的作用,这里我们为大家简单盘点一下航天中的3D打印。

3D打印其自由设计的特点和不需要模具的特色,是当前最适合航天工业制造的先进制造手段。航天工业所具有的最大特点就是小批量和个性化定制,尤其适合3D打印。本文为大家简要介绍一下用于航天的3D打印技术。主要分为两大部分,一部分是在地面进行的3D打印,打印后的部件通过组装后送入太空;一种是在外太空进行的3D打印。笔者期望通过本文达到两个目的,一是让大家了解当前用于太空的3D打印有哪些黑科技,其次是希望通过本文促进3D打印应用和研究的一个参考点。

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航天设备中采用3D打印比较有价值和意义的部件
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GE 打印公司制造的用于航天的打印过程图
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NASA正在开展的增材制造的实时在线监测
航空航天设备在飞行过程中如果遇到结冰的情况,就会使得飞行器的性能显著下降,所以航空航天设备需要安装冰探测设备和除冰装置。GKN公司则使用3D打印进行了制造航空航天使用的光学冰探测器,如下图所示。

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GKN公司采用3D打印制造的航天用的光学冰探测器
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  航天中的前哨结构(上部)和前哨结构墙(左下图)以及细节图(右图)
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已经通过点火测试的NASA火箭发动机de 3D 打印 镍合金护套
该部件采用3打印之后,制造周期从一年减少到4个月,制造成本还减少了70%。

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NASA火箭发动机中的打印喷嘴
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NASA所设想的在太空中采用3D打印进行打印和组装

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NASA发布的3D打印的全尺寸铜合金火箭发动机部件实物图及其金相组织图
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Cranfield University(克兰菲尔德大学)大学的送丝3D打印铝合金正在工作的状态图:采用双面打印的对称结构,长度为6米的铝合金

空客防务和航天公司近日对外宣布,已使用铝合金制造了第一个航天质量的3D打印部件,用于Eurostar E3000卫星上。3T RPD公司负责为空客防务和航天公司3D打印支架,其总部设在英国的Newbury。 Eurostar E3000是一种通用卫星型号,经常用于商业和军事通信用途,是由欧洲Astrium公司制造的。该卫星系统采用一个双向推进的化学推进系统和一个可选的等离子体推进系统(PPS),PPS主要通过氙气的离子化合和霍尔效应等离子推进器来获得动力。E3000也是第一个使用锂离子电池的商用卫星系统,这使它即使在日食的情况下也能保证供电。如图是Eurostar E3000卫星上采用 EOSINT M 280打印机打印的钛合金托架。
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用于Eurostar E3000卫星的3D打印铝质支架

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Eurostar E3000卫星上采用 EOSINT M 280打印机打印的钛合金托架
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太空中的3D打印

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太空总部所使用的 增材制造装备(AMF)

现阶段,3D 打印技术在逐渐改变人们对于太空设备和材料的看法。举个例子,Additive Manufacturing Facility(AMF)目前正国际空间站研发能够进行 3D 打印的工具,备用零件,或是将其他有用的部件等并再从地球上运输过来。受 AMF 公司的启发,最近 TUI 和 SSL 正进行着太空 3D 打印相关项目试验。

尽管 AMF 从地球上运输过来的工具能在国际空间站进行安全的储存,但是由 TUI 和 SSL 合作研发的“SpiderFab 项目却是完全不一样的模式。另外这两家公司还表明 SpiderFab项目由NASA支持的研发,并且 TUI 的子公司Firmamentum 还会使用Trusselator技术。而 Trusselator 技术将用于在太空中打造轻质桁架,桁架的作用是支撑宇宙飞船中的太阳能电池板、天线、传感器等部件。此外,这一过程中完全是由机器人“Spinnernet”打印组装,不需要人工参与。如下图所示,航空公司 Tethers Unlimited Inc(TUI)与商业卫星公司 Space System Loral (SSL)共同研发 3D 打印机器人 SpiderFab。SpiderFab 是一款智能蜘蛛机器人,可在太空中进行3D打印和组装太空飞船的组件、甚至大型结构或卫星。

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蜘蛛机器人SpiderFab 可在太空组装3D打印的飞船零件
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GKN公司制造的3D打印航天部件
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GKN公司制造的3D打印航天部件

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NASA采用SLM技术打印所使用的火箭发动机实物图,其尺寸规格自左向右:
25.4 × 25.4 × 25.4 cm (16387.064 cm3), 39.37 × 60.96 × 48.26 cm (115823.768 cm3), 228.6 cm, 116.84 cm, 177.8 cm和 142.24 cm

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GKN航天3D打印的构想图

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GKN公司正在使用3D打印制造尾翼

中国首台太空3D打印机诞生

参考资料:VELO3D Sapphire、huaban.com、NASA、iss-casis.org、GKN、3D科学谷、雷锋网(陈圳)

文章来源:Additive manufacturing for space: status and promises,Enea Sacco & Seung Ki Moon, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,volume 105, pages:4123–4146(2019)

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