亚洲3D打印、增材制造展览会

2020.2.19-2.21

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行业新闻

将投入付诸于有效载荷

一进入Made in Space位于加利福尼亚的NASA研究园区,首先映入眼帘的是一个大型的,几乎让人以为是错觉的结构。我无法估算这个用铆钉连接到一起的拱形钢梁结构的体积,它看起来就像是B级灾难性电影中一架坠落的航天器。

 “那是什么?”我向Made in Space的联合创始人兼总监,Jason Dunn问到。

 “那是我们的灵感!”


大家知道Made in Space(MIS)可能是由于那张著名的照片——宇航员Barry Butch E手持其在国际空间站(ISS)中刚打印出来的棘轮扳手。打印所需的STL文件是从地球上发送过去,然后再从Made in Space的增材制造设施(AMF)中打印出来的。这台AMF是一个类似于FDM的塑料挤出打印机。承受住了发射时的推力,与国际空间站将进行整合,并且在未来国际空间站的生命周期内始终保持发展。

AMF是卓越工程的一项壮举,并且经过了极为严苛的测试。现在,国际空间站中共有两台AMF,它们已经打印了超过200件物品,其中包括备用零件、升级产品和一些工具。MIS的研究表明,国际空间站中超过三分之一的破碎物品都是塑料材质的,而且均可通过当前的AMF系统进行修复。航天制造的下一步就是MIS的Vulcan技术,这是一种混合型3D打印机,可以最接近原型且精准的打印出完全可操作的金属和聚合物零件。近期,Vulcan获得了NASA的资金支持即将进入第二阶段的研发,即准备在国际空间站的航天飞船上进行系统演示。

“和那些打印机一样令人印象深刻的是,人们常常会对那些远程为客户制造的打印设备存疑,而我们公司的名字就是这个问题的答案。当我们打算建立一个公司的时候,我们总是对其怀揣着广阔的愿景”,Jason Dunn说到,“如果我们只是想要为空间站建造一个3D打印机,那我们的公司名称可能就会是‘空间站3D打印机’,而不是‘Made in Space’(双关语,在空间中制造)。”

Made in Space(以下简称MIS)的工作人员仅需从办公室的窗户向外一瞥,公司的使命和愿景就能映入眼帘。前面所提到即将来临的巨兽就是Hangar One,它是世界上最大的无柱人造建筑物之一,建造于20世纪30年代,用于盛放USS Macon(有史以来向空中发射的最大的氦气飞艇)。该飞艇的外壁板于2012年移除,剩余的钢梁网结构由谷歌(Google)所有,其大小可容纳6个足球场。目前,MIS正在为如何在宇宙空间中制造Hangar One尺寸的结构而努力。

JasonArchinaut系统

为系统助力的技术叫做扩展结构增材制造(ESAM),而且该技术于2017年经NASA的热真空试验证明通过后已投入应用。今年年初,MIS为“世界上最大的3D打印非装配件”(在MIS总部打印的一个黑色聚合物横梁)申请了一项吉尼斯世界记录,并且已得到了官方批准。在向TCT展示这一作品时,Jason打趣到:“我们之所以停止打印不过是因为我们放不下了。”

 “这根横梁长37.7米,它之所以如此重要的原因是因为我们今天带入太空的一切就是火箭中所装载的一切,而我们无法将这样一个物体装入火箭中。但是在太空中,我们需要体积更大的一些物体。事实上,40米的长度大约就是空间站中一个太阳能电池阵列[机翼]的长度。太阳能电池阵列机翼的原理在于,把小型物体打包后到太空后让他慢慢展开;但是目前的机翼的展开尺寸已经接近我们能打包的“塞进”火箭里的最大值,但是我们还想要更大的。”

ESAM是MIS所做的Archinaut系统的核心,NASA为此提供了2,000万美元的资助。Archinaut系统将主要作为一个带有机械臂和ESAM的航天器。Jason将ESAM的功能描述为就像是一只“在织网的机械蜘蛛”,通过机械臂横穿来自ESAM的装配结构。首先,将原材料发射到自由飞行的机器人上,在地球传来设计方案之后,Archinaut系统就会启动制造程序,然后在轨道上对结构进行组装。

我们已经看到许多新颖的3D打印解决方案都在应用上遇到了阻碍,但是Jason认为Archinaut系统已经为卫星技术的发展实现了重要且可行的应用。

 “由于星载雷达或相关装置一般使用的是合成孔径的方式,所以太空中的每一个卫星都以某种方式安放一个孔径”,Jason如实说到,“就孔径大小而言,越大就代表越好。然而今天,我们却陷入了一个旋涡之中,因为只有一定直径的孔径和天线才适用于火箭。如果能制造百米长的天线

,你就能做一些令人惊奇的事,比如手机达到和电脑宽带一样的速度。”

经无数次的印证,我们知道了物体发射成本是每千克10,000美元,因此,向太空中发射制造设施也是有意义的。然而,MIS的另一个研究计划想要扭转这一动态。相对于在地球上制造然后发射到太空,其微重力光学纤维制造实验(OFPIM)正在太空中制造高价值的地球用光纤。

 “全世界的网络都是在海底相接的;无论是纽约还是伦敦的股票市场,所有的这些都是在光纤的基础上建立的。光纤是一种玻璃,经加热后被拉成了比头发丝还细的细丝,长度可达数千米。同时,玻璃也是一种晶体,因此在重力作用下晶体本身就会出现缺陷,但是如果将玻璃置于零重力条件下,它几乎就是一种完美的晶体,而且其中不会存在任何晶格缺陷,这也就意味着你可以从其一端向另一端发送光照,然而光照度仅有较低程度的衰减。”

ZBLAN光纤的非晶性能意味着体积较小,只需在海底设置少量中继站。根据MIS的保守预估,10 km ZBLAN光纤成卷后的重量只有1 kg。SpaceX龙飞船的返回有效载荷质量为3000 kg,这意味着剩下的燃料几乎可以供其绕地球飞行一周。

 “关于将太空变成我们的制造基地,还有很多引人入胜的应用案例”,Jason解释到,“当今世界,近地轨道已经成为政府运营空间站的所在地,而且这里还分布着数量众多的[私营]卫星。我认为,我们要看到的是许多行业活动都是在太空中进行的。这里将会有许多由不同公司和政府所有的空间站,在这些空间站中进行着各种各样的工业制造活动。未来,我们的天际线将不再有污染,因为我们在太空中的活动将以环境友好的方式进行。”

这并不复杂

2018年5月,美国宇航局成功对其最先进的3D打印火箭发动机零件进行了试射。该机构于2015年在马歇尔飞行中心使用由格伦研究中心的材料科学家制造的铜合金粉末打印了第一个全尺寸3D打印铜燃烧室衬套。该机构随后将衬管送至兰里市,在那里使用NASA专有的电子束自由成形技术(一种使用电子束和电线来制造金属结构的加层制造工艺)将镍合金沉积到衬套上以形成腔室护套。由此打印出的零件更轻、制造更快捷且通过了承力和100%力源测试。

与Made in Space类似,Relativitiy公司是加利福尼亚一家拥有美国宇航局的支持的雄心勃勃的年轻公司。公司的联合创始人Tim Ellis和Jordan Noone分别来自贝索斯的Blue Origin和马斯克的SpaceX项目,其目的在于完全使用增材制造技术制造火箭。该公司拥有美国宇航局提供的20年的研究经费,并已经对其AEON火箭进行了100多次试射。Relativity公司声称其Stargate 3D打印机是世界上最大的金属3D打印机,可以在不到60天的时间内制造出可用于飞行的火箭。

加利福尼亚州另一家初创公司Rocket Lab在过去一年中已成功将四颗卫星送入轨道,它表示其电池驱动的卢瑟福火箭发动机可在短短三天内通过3D打印制造完成。

虽然3D打印正在彻底改变火箭的制造以便将货物运送到太空,但Made in Space认为,在使用增材制造火箭的过程中需要进行很多优化。因此,提出“我们怎样才能改进火箭?”这个问题本身就是错误的。

 “当看到火箭发射到太空的照片时,你可以看到火焰从摩天大楼的底部结构射出,火箭主体占了99%,有效载荷仅仅占1%,是,”Jason解释说。“在这99%的主体中,有97%是燃料,因此结构只占2%;。总有一些关于如何让火箭更廉价、可重复使用、更大或更小的天才想法, 但是物理效果都是一样的。如果你想增加发送到太空的有效载荷质量,牛顿定理告诉你,你不能拿走占比97%的燃料,,你只能在2%的结构上下功夫,让结构再轻一点。你可以努力达到2%的有效载荷和1%的结构,但是怎么做才能低于这个值呢?”

 “我们看看其他人怎么做、怎么说,‘每个人都在努力制造更好的火箭,如果我们换一个问题提问呢?’比如,‘如果我们不再需要一个火箭会怎么样?’当你探索这个问题时,你会开启一个充满可能性的新世界,比如拥有像足球场一样大的天线,或者在我们把人类送上太空之前,先将机器人送到火星去建立栖息地,又或者是在太空制造无法在地球上制造的东西。”

 “我坚信Made in Space的成功是因为我们提出了不同的问题。”


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