安世亚太“增材思维 数智未来”系列——“探月”技术走进生活,增材制造融入民间

3D打印资讯
2022
05/12
16:34
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作者:李京洋,现任安世亚太公司知识产权组知识产权工程师,主要研究方向为航空航天新材料的探索与应用

NASA说:there’s more Space in your life than you think! 生活中有比你想象更多的太空技术!美国航空航天局(NASA)拥有很多高端的航空航天技术,且随着社会经济的不断发展,通过其技术转移(Technology Transfer)计划,挖掘出在航空航天之外的实用价值,并逐渐向民用领域扩散,造福民众。目前,美国已经形成了较为成熟的军转民、民转军、军民两用技术发展的体制机制,成为世界军民一体化的典范,并培育了大批新兴企业。美国在航天技术转移政策、管理和促进措施等方面都积累了丰富而有价值的经验,在军民两用技术转移转化方面也取得了令世界瞩目的成就。这对我国推进技术成果转化,很有借鉴意义。
△《增材技术能上天入地吗?》安世亚太“增材思维 数智未来”系列专题

本文是该系列文章的第五篇内容,阐述DfAM设计思维解决增材制造降本增效问题,更多精彩内容敬请期待。

NASA的技术转移成果
自1976年美国国家航空航天局(NASA)成立以来,不断利用技术资源,在探索和发现方面实现前所未有的飞跃。目前,NASA在航空领域取得了许多技术发展,并在医疗与健康,生活消费,交通与运输,能源与环境,工业生产力,信息科技和公共安全领域拥有了超过2,000个衍生产品。

用于飞机的更耐用的聚合物复合材料,目前已成功运用到髋关节置换物中;监测太空中宇航员健康状况的软件,现在可以在家中监测高危病人;独特的聚合物——可溶性亚胺在心脏装置中得到广泛应用;使用 NASA技术——乳化零价铁 (EZVI)安全地对土壤和地下水进行解毒;用于测量地表和轨道栖息地中的月球尘埃的空气质量传感器,现在已改进为Canary-S,可以监测森林火灾排放,评估城市空气质量等;太空燃料电池提供深海动力;碳捕获过程使食用油可持续,消耗CO²等废物并更加环保;最初用于在航天飞机发射的极端条件下保护航天器和发射台设备的减震器现在支撑着世界各地地震多发地区的数百座建筑物和桥梁——在地震中,这些建筑物和桥梁都没有受到轻微损坏;得益于 NASA 在模拟流体流过火箭发动机方面的专业知识设计的心脏泵,数百名需要心脏移植的人得以存活;气凝胶被广泛用作海底系统、炼油厂、工业建筑、家庭、冰箱、夹克和鞋垫中的绝缘材料。

多年来,为太空开发的技术已经出现在汽车中。从最终用于公路轮胎的航天飞机轮胎工程到有助于制造舒适汽车座椅的零重力车身姿势研究,数十年的太空开发造就了更好的汽车。

1、多普勒激光雷达使自动驾驶汽车更安全
旨在帮助月球航天器着陆的激光可能会帮助自动驾驶汽车在这个星球上的交通高峰时段导航——导航多普勒激光雷达系统。导航多普勒激光雷达向机载计算机提供数据,结合来自摄像头的信息,就可以识别建筑物、人员和其他车辆,它还可以检测运动以及物体的方向和速度,以避免没有及时减速或停车的潜在致命错误。此外,来自另一辆自动驾驶汽车的激光雷达不会干扰或改变多普勒激光雷达的性能。目前,导航多普勒激光雷达系统正在定制用于汽车、飞机和商业航天器。它们已经比为行星在太空着陆而开发的系统更小、更强大。
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△多普勒激光雷达系统

2、NASA中性体姿规格(NBP)为舒适的汽车座椅提供依据
当包括重力在内的所有物理影响停止影响人体时,人体会自然呈现什么形式?NASA 使用美国第一个空间站 Skylab 进行了研究,后来发布了所谓的中性身体姿势规范(NBP)。
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△中性体位图
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△Altima的座椅

2013年,日产在其Altima车型中首次推出了源自NASA研究的座椅,该技术不仅将应用于驾驶员和前排乘客的座椅,还将应用于车辆的后座。座椅将使驾驶员和乘客的长途驾驶更加愉快,因为坐在六向可调驾驶员座椅、四向可调前排乘客座椅或后排座椅上时,人的肌肉工作量会减少。

3、Flash Lidar实现无人驾驶导航
传统的激光雷达通过发出激光脉冲来工作,而全球快门闪光激光雷达使用单个激光脉冲一次性获取所有数据,生成整个地图。脉冲由具有数千个像素的焦平面阵列接收,具有许多优势,其中最重要的是速度——可以在一次激光拍摄中获得数万个像素。

ASC的汽车闪光激光雷达运用了相同的技术。通过降低软件处理要求,ASC的全球闪光激光雷达可以更快地识别道路危险——在与其他司机、行人、骑自行车的人等一起在道路上行驶时,这是一项至关重要的安全优势。这是因为它通过每个脉冲收集 15,000 个像素,并且因为图像是一次收集的,所以并不会因运动而失真(图)。
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△ASC全球闪光激光雷达收集的图像

4、空气动力学研究彻底改变了卡车设计
NASA 工程师对车辆空气动力学和流体动力学进行了广泛研究,并使用涡流发生器,从机身突出的空气动力学表面将更快移动的空气吸引到飞机表面并破坏飞机周围较慢移动的边界层空气,从而改善飞机控制并减少阻力,在飞机应用中增加升力。
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△休闲车后部的Airtabs

Aeroserve公司的Airtab涡流发生器产生受控涡流,以减少卡车和拖车的风阻和空气动力阻力。在拖车、厢式货车或房车的后部,Airtabs从根本上改变气流以通过两种方式减少阻力:将气流模式从垂直转变为水平以消除大涡流,并平滑气流以人工模拟锥形后部车辆。事实上,Airtabs 已被证明在任何向后倾斜超过 30 度的车辆上都有效。潜在的好处遍及车辆应用,因此可以使相当多的车辆受益。

5、轮胎传感器警告驾驶员轮胎漏气
适当的轮胎压力对于飞机的安全着陆至关重要。NASA与NovaSensor公司的合作,为航天飞机轮胎打造了一个产品:一种基于 MEMS 压阻技术的压力传感器,可将压力转换为电阻,由小电池供电,通过射频发送读数。该传感器是建立在一个小的硅芯片上的,当在芯片的一侧施加压力时,就会在硅中产生应变。当轮胎压力变低时,应变就会改变,产生成比例的压阻变化,产生微小的电量,以毫伏测量,表明存在问题。此后,该公司将传感器经过改进后应用于乘用车,最终销售了数百万台设备。

3D打印在航空航天的应用
NASA多年来一直在探索将3D打印应用于各种航天器应用,因为它加快了原型和新部件的开发和生产时间,并允许替换部件在远离地球的地方轻松制造。3D打印的独特之处在于没有工具,也没有前期成本,这使得制造原型或新零件的速度更快、成本更低。

1、3D打印集成飞机零件
增材制造是逐层构建组件,因此工程师可以将零件组合在一起成为单个组件,而不是连接多个零件。赫氏公司使用经过NAS测试的聚醚酮酮 (PEKK)的热塑性塑料打印了具有三个开口的风管组件,并将用于管道。
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△具有三个开口的风管组件

2、未来的火箭发动机可能包括大规模 3D 打印
美国宇航局的工程师们正在探索一种使用金属粉末和激光进行3D打印火箭发动机零件(如喷嘴和燃烧室)的新方法。这种方法被称为定向能量沉积,比传统的制造方法更快、更便宜。该开发是美国宇航局快速分析和制造推进技术(RAMPT)项目的一部分。这项技术的进步意义重大,因为它让我们能够以比过去更低的价格生产出最困难、最昂贵的火箭发动机部件。
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△定向能量沉积制造的发动机喷嘴

2019年,工程师们在马歇尔太空飞行中心试射了一个3D火箭发动机燃烧室。
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△测试火箭发动机燃烧室

增材制造在不断发展的汽车行业中发挥作用
近年来,除了在航空航天领域的应用,3D打印在汽车零部件的加工制造领域也被广泛应用。同时,在“制造 2025”计划提出之后,汽车行业的轻量化、智能化发展问题得到了人们的普遍关注,这也成为未来汽车制造领域的发展趋势。

目前,全球汽车零部件市场的总价值超过了1万亿美元。到2030年,AM在汽车零部件方面的业务潜力将增长到200亿美元,其中电动汽车零部件的生产约占25%。
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△与AM相关的汽车零部件生产的预期收入($USM)
来源:3dpbm Research

汽车主要由四种类型的部件组成:车身、辅助电子产品、内部和动力系统部件。
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△汽车零部件

1、车身部件
除了在原型设计方面的明显应用外,AM已经表明它可以在车身零部件市场上发挥作用。3D打印正在实现在某些较小和不明显的连续制造部件,如宝马i8跑车(使用聚合物与惠普MJF技术)和封面展开打开时的敞篷混合动力跑车的屋顶(使用金属PBF)。而电动汽车公司Local Motors已经展示了使用LFAM复合3D打印技术进行3D打印整个车身的能力。

2、辅助电气系统和电子设备
这个市场包括音频/视频设备、摄像机、低压供电系统、仪表和仪表、点火系统组件、照明和信号系统,以及几种不同类型的传感器、电气开关、线束,当然还有电子外壳,而AM已经在定制的电子外壳和开关的生产中被大量使用。

随着内燃机变得更加紧凑,电动汽车变得更加流线型,AM在电子零件生产中的应用,尤其是在外壳和开关方面,预计将迅速增长到批量生产水平。采用高温材料的聚合物3D打印技术已经能够为几种内燃发动机车辆的引擎盖下部件。对于电动汽车和一般的智能汽车,AM的采用预计将更加重要,因为温度变得更不重要(电池之外),而且对复杂电子部件的需求增加。

3、内饰部分
这个部分包括所有底板部件,仪表板,饰面,配件,当然还有汽车座椅。特别是这最后一个领域,最近激发了一些创新的3D打印方法。

主要的汽车制造商已经在探索并将3D印刷内饰汽车零部件推向市场。迄今为止最流行的应用之一是将AM用于汽车座椅组件。2018年,通用汽车公司(GM)和欧特克(AutoDesk)采用创成式设计开发了一款3D打印座椅支架。座椅支架由不锈钢制成,既整合了部分零件(从八个到一个)又减轻了重量(减少40%)。据传,惠普还在开发一种新的汽车座椅生产方法,利用复杂的晶格几何形状来修改弹性材料(TPU和TPA)的柔韧性,用于使用多喷射聚变技术生产汽车座椅部分。

此外,豪华汽车制造商保时捷在2020年推出了一款全新概念车,采用3D打印车身和全桶座椅。斗式座椅是为跑车设计的,集成了膨胀聚丙烯(EPP)和由聚氨酯材料制成的3D打印晶格层。并且,3D打印层可以根据司机的舒适性偏好进行定制。

4、动力系统和底盘
1、燃烧动力系统部件
随着AM技术变得更加高效,3D打印可用于优化形状和减少复杂部件的子组件,如排气歧管、阀门甚至活塞,同时利用几何形状和新材料改善集成冷却系统的性能。不过除了实验显示模型,迄今为止还没有直接3D打印引擎块的案例。

2、混合动力系统部件
一些动力系统和底盘部件对于配备内燃机的车辆和电动汽车是通用的,尽管它们可能有不同的形式。其中一些已经以某种形式进行了3D打印,Czinger开发了混合动力超级跑车Czinger21C,集成了许多3D打印组件,包括一个金属底盘。
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△Czinger 21C

布加迪,另一家主要的内燃机超级跑车制造商,已经在许多部件上使用了AM,包括革命性的钛3D打印制动卡钳。最近,该公司生产了混合动力部件,如0.5米长的辅助驱动轴,结合碳纤维和3D打印钛合金端部配件,重量减轻了约一半至1.5千克,并由于旋转质量降低而提高了性能。

布加迪一直走在汽车应用增材制造的最前沿,其中Bolide可以说是布加迪迄今为止最好和最强大的产品,它也是3D打印次数最多的一个。自从一个开创性的全3D打印钛制动卡钳的发展以来,布加迪已经越来越多地应用仿生学领域的原理,使打印部件具有骨状结构:薄壁,中空的内部和精细的分支。超跑Bolide的很多部件都是3D打印的,包括后翼支架、转向柱支架、螺钉和紧固件、推杆、弹簧减振器、排气管和制动卡钳。
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△Bolide

3、电气化动力系统部件
电动汽车利用电池中节省下来的电力来循环电机,并产生驾驶所需的动力。因此,电动汽车不需要发动机和变速器,这是内燃机汽车最关键的两个部件。相反,电动汽车携带了几个电力组件:电机、电池、车载充电器和电力控制单元(EPCU)。

最近,保时捷和SLM Solutions推出了一个项目,旨在制造一个使用3D打印的电子驱动器的完整外壳。使用增材激光融合工艺生产的发动机-变速箱单元上的3D打印电子驱动器外壳通过了所有的质量和应力测试。在未来,这可能成为一种可行的生产方法。
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△3D打印的电子驱动器外壳

如今,电动汽车使用的电池基本上是一排排的数百块小型电池固定在一起,以增加容量。例如,特斯拉85千瓦时电池组由7104个电池组成,大约为AAs大小。借助 3D 打印,无需制造和组装单个电池:可以将模块设计并打印成所需的整体形状。AM还可以改变电池的电极的结构:多孔电极增加了能量密度,而AM 非常适合将电极材料构建成晶格形状,该晶格形状具有更大的暴露表面积以进行化学反应,从而产生更高效的电池。

目前,一些主要汽车制造商已经使用AM进行生产,如BMW、Daimler、Stellantis、Ford、GM、JLR、Volkswagen。

总结与展望
总体来看,航空航天技术的民用转化不仅仅提高了这些领域的科技水平,还降低了民用企业的成本,也为国家增加了大量的就业机会,还极大推动了社会经济的发展和社会生活的进步。

从航空航天起始,逐渐应用到汽车领域的例子还有很多,其搭载的功能与航空航天技术的结合,可能要比其他领域更紧密一些。尤其在智能汽车时代,智能网联、智能驾驶、材料轻量化等层面都可以为汽车带来全新的体验,诸如线控技术、ACC自适应巡航与碳纤维材料,都是航空航天领域经过成熟应用带来的便利。在很多人看来是“黑科技”的东西,最终也会走入大众,为人们带来普惠。

当前,航天技术应用在汽车上已经不是一件新鲜事,但对于国产品牌来说,这个领域或许还有很长的路要走。

未来,我们能够预见到的 5G、自动驾驶、智能汽车、增材制造等一系列科技的结合,会不会与导航定位系统一样,创造出一个能让历史铭记的时间点?

答案呼之欲出。但首先我们可以确定的是,多源技术融合、各个产业领域及不同头部品牌之间的供应整合型合作,势必会让科技“落地”的时速飙增,成为一股不可忽视的“中国制造新势力”。

参考文献
1. 龚瑞凯.NASA 航天技术转移发展情况浅析.中国空间技术研究院.2018
2. 太阳谷.NASA航天技术转移发展概况.高端装备发展研究中心.2019
3. 2019《NASA Spin off》
4. https://spinoff.nasa.gov
5. 张亮.在新时期加强天技术转化应用的思考.航天工程咨询北京有限公司
6.3dpbm/insights.Automotive AM .2021



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