美國橡樹嶺國家實驗室與美國宇航局 3D打印月球車車輪原型

據(jù)報道，美國能源部橡樹嶺國家實驗室ORNL的研究人員與美國國家航空航天局(NASA)合作，3D打印出與美國國家航空航天局機(jī)器人月球車設(shè)計相同的車輪，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)。

這個增材制造的輪子是在美國國家航空航天局計劃于2024年發(fā)射的一種移動機(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源和分布。

雖然在ORNL的美國能源部（DOE）的制造示范設(shè)施（MDF）打印的原型車輪實際上不會用于美國國家航空航天局的月球任務(wù)，但它的設(shè)計符合美國國家航空航天局為VIPER制造的車輪的相同設(shè)計規(guī)范。在將這項技術(shù)用于未來的月球或火星探測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，計劃進(jìn)行其他的測試以驗證設(shè)計和制造方法。

NASA機(jī)械設(shè)計工程師哈根和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)和交貨時間，同時實現(xiàn)設(shè)計復(fù)雜性和材料特性的定制。MDF處于這項工作的前沿，十多年來一直在開發(fā)這項技術(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。一臺專門的3D打印機(jī)使用兩個協(xié)調(diào)的激光器和一個旋轉(zhuǎn)的構(gòu)建板來選擇性地將金屬粉末熔化成設(shè)計的形狀。

傳統(tǒng)金屬粉末床系統(tǒng)是分步驟操作的：在一個櫥柜大小的機(jī)器中，他們在固定板上耙出一層粉末。然后激光有選擇地熔化一層，然后再稍微降低，重復(fù)這個過程。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，可以容納一個人進(jìn)入，并且在打印大型物體的同時其連續(xù)進(jìn)行的能力是獨一無二的。

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打印簡化了車輪設(shè)計并降低了成本，并使最終組裝更加容易

增材制造可以實現(xiàn)精細(xì)的設(shè)計細(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，特別是在大規(guī)模生產(chǎn)中。

雖然這臺機(jī)器是獨一無二的，但項目成功的關(guān)鍵是研究人員在過程自動化和機(jī)器控制方面的專業(yè)知識。他們使用ORNL開發(fā)的軟件將車輪設(shè)計“切片”成垂直層，然后平衡兩個激光器之間的工作量以均勻打印，實現(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值。與美國國家航空航天局合作的項目確實推動了這項技術(shù)的發(fā)展，負(fù)責(zé)ORNL月球車車輪項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)計的復(fù)雜性。

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

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)計制造了這個月球車車輪

如果美國國家航空航天局的測試證明3D打印的原型車輪和傳統(tǒng)制造的輪子一樣堅固，未來的火星車可以使用一個ORNL花40個小時制造的輪輞來代替。通過這個項目，ORNL和NASA的工程師們還探索了打印精確的設(shè)計特征，如傾斜的側(cè)壁，圓頂形狀和波浪花紋，以增加車輪的剛度。

美國國家航空航天局計劃在美國國家航空航天局約翰遜航天中心的巖石場中測試3D打印車輪在月球車上的性能。評估人員將評估輪子的機(jī)動性、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)計以響應(yīng)測試的優(yōu)勢。它還可以在不增加弱點的情況下加入更復(fù)雜的東西，比如懸掛系統(tǒng)。

哈根還認(rèn)為，作為美國國家航空航天局“阿爾忒彌斯計劃”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:“能夠在太空中制造零件進(jìn)行維修將是很重要的，因為你根本無法獲得足夠的備件。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?！?/p>