美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)宇航局 3D打印月球車車輪原型

據(jù)報(bào)道，美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室ORNL的研究人員與美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)合作，3D打印出與美國(guó)國(guó)家航空航天局機(jī)器人月球車設(shè)計(jì)相同的車輪，將增材制造推向了最新的研究前沿，展示了太空探索所需專用部件的技術(shù)。

這個(gè)增材制造的輪子是在美國(guó)國(guó)家航空航天局計(jì)劃于2024年發(fā)射的一種移動(dòng)機(jī)器人“揮發(fā)性物質(zhì)調(diào)查極地探索漫游者”(VIPER)現(xiàn)有的輕型輪子的基礎(chǔ)上制造的，該機(jī)器人將用于繪制月球南極的冰和其他潛在資源。該任務(wù)的目的是幫助確定月球水的來(lái)源和分布。

雖然在ORNL的美國(guó)能源部（DOE）的制造示范設(shè)施（MDF）打印的原型車輪實(shí)際上不會(huì)用于美國(guó)國(guó)家航空航天局的月球任務(wù)，但它的設(shè)計(jì)符合美國(guó)國(guó)家航空航天局為VIPER制造的車輪的相同設(shè)計(jì)規(guī)范。在將這項(xiàng)技術(shù)用于未來(lái)的月球或火星探測(cè)器或考慮將其用于其他空間應(yīng)用（如大型結(jié)構(gòu)部件）之前，計(jì)劃進(jìn)行其他的測(cè)試以驗(yàn)證設(shè)計(jì)和制造方法。

NASA機(jī)械設(shè)計(jì)工程師哈根和ORNL研究員布里什在制造示范設(shè)施 (MDF)中檢查一個(gè)3D打印的月球車車輪原型

增材制造可以減少能源使用、材料浪費(fèi)和交貨時(shí)間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和材料特性的定制。MDF處于這項(xiàng)工作的前沿，十多年來(lái)一直在開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，用于清潔能源、運(yùn)輸和制造業(yè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。MDF研究人員于2022年秋季在ORNL打印了月球車車輪原型。一臺(tái)專門的3D打印機(jī)使用兩個(gè)協(xié)調(diào)的激光器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)的構(gòu)建板來(lái)選擇性地將金屬粉末熔化成設(shè)計(jì)的形狀。

傳統(tǒng)金屬粉末床系統(tǒng)是分步驟操作的：在一個(gè)櫥柜大小的機(jī)器中，他們?cè)诠潭ò迳习页鲆粚臃勰Ｈ缓蠹す庥羞x擇地熔化一層，然后再稍微降低，重復(fù)這個(gè)過(guò)程。負(fù)責(zé)MDF新型激光粉末床融合系統(tǒng)開發(fā)的皮特表示，用于月球車車輪原型的打印機(jī)足夠大，可以容納一個(gè)人進(jìn)入，并且在打印大型物體的同時(shí)其連續(xù)進(jìn)行的能力是獨(dú)一無(wú)二的。

盡管可以為車輪提供更復(fù)雜的輻條圖案和輻條鎖定功能，但3D打印簡(jiǎn)化了車輪設(shè)計(jì)并降低了成本，并使最終組裝更加容易

增材制造可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，例如在圓頂形狀上的波浪花紋，被整合到原型月球輪中

皮特表示，在相同的激光功率下，這大大提高了生產(chǎn)率，沉積速度提高了50%，而且只是觸及了系統(tǒng)功能的表面。研究人員認(rèn)為這將是激光粉末床打印的未來(lái)，特別是在大規(guī)模生產(chǎn)中。

雖然這臺(tái)機(jī)器是獨(dú)一無(wú)二的，但項(xiàng)目成功的關(guān)鍵是研究人員在過(guò)程自動(dòng)化和機(jī)器控制方面的專業(yè)知識(shí)。他們使用ORNL開發(fā)的軟件將車輪設(shè)計(jì)“切片”成垂直層，然后平衡兩個(gè)激光器之間的工作量以均勻打印，實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率。

車輪原型是該系統(tǒng)生產(chǎn)的首批部件之一，它展示了跨部門合作的價(jià)值。與美國(guó)國(guó)家航空航天局合作的項(xiàng)目確實(shí)推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，負(fù)責(zé)ORNL月球車車輪項(xiàng)目的研究人員布萊恩·吉布森表示，他稱制造出具有太空探索應(yīng)用的原型組件，這是一個(gè)里程碑。

原型車輪由鎳基合金制成，寬約8英寸（約0.2米），直徑約20英寸（約0.5米），比用金屬粉末床系統(tǒng)打印的部件大得多。制作它需要在一個(gè)大的工作區(qū)域內(nèi)打印小的幾何特征。吉布森表示，增材制造在不增加成本或制造難度的情況下，提高了輪輞設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

相比之下，明年將在月球塵埃中翻滾的四個(gè)VIPER車輪需要多個(gè)制造過(guò)程和組裝步驟。VIPER的50塊輪輞由360個(gè)鉚接接頭連接在一起。為了滿足任務(wù)的嚴(yán)格要求，制造過(guò)程需要復(fù)雜和耗時(shí)的加工。

在短短幾天內(nèi)，ORNL的研究人員使用粉末床打印技術(shù)根據(jù)NASA的設(shè)計(jì)制造了這個(gè)月球車車輪

如果美國(guó)國(guó)家航空航天局的測(cè)試證明3D打印的原型車輪和傳統(tǒng)制造的輪子一樣堅(jiān)固，未來(lái)的火星車可以使用一個(gè)ORNL花40個(gè)小時(shí)制造的輪輞來(lái)代替。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，ORNL和NASA的工程師們還探索了打印精確的設(shè)計(jì)特征，如傾斜的側(cè)壁，圓頂形狀和波浪花紋，以增加車輪的剛度。

美國(guó)國(guó)家航空航天局計(jì)劃在美國(guó)國(guó)家航空航天局約翰遜航天中心的巖石場(chǎng)中測(cè)試3D打印車輪在月球車上的性能。評(píng)估人員將評(píng)估輪子的機(jī)動(dòng)性、旋轉(zhuǎn)阻力、側(cè)滑、爬坡和其他性能指標(biāo)。

哈根表示，增材制造提供了快速更新設(shè)計(jì)以響應(yīng)測(cè)試的優(yōu)勢(shì)。它還可以在不增加弱點(diǎn)的情況下加入更復(fù)雜的東西，比如懸掛系統(tǒng)。

哈根還認(rèn)為，作為美國(guó)國(guó)家航空航天局“阿爾忒彌斯計(jì)劃”的一部分，月球上的載人研究站將需要具備離地制造能力。他說(shuō):“能夠在太空中制造零件進(jìn)行維修將是很重要的，因?yàn)槟愀緹o(wú)法獲得足夠的備件。用于打印的粉末、顆粒或長(zhǎng)絲更容易包裝，并且具有更大的靈活性。”