3D打印离地球:ISS国家实验室在太空工作室主持AM

3D打印离地球:ISS国家实验室在太空工作室主持AM

2020-10-15 11:33:38 7

外星制造开始对人类如何在太空中生活提供了一些启示。为了维持生命和空间流动而开发出诸如空间制造等现场资源能力,这些都是NASA多年来在空间技术方面所面临的重大挑战。来自工业、学术界和政府部门的专家们正在尝试使用破坏性技术来创造彻底的系统,这些技术可能会改变关键的空间任务。但目前的能力仍不足以承受频繁或长期的空间旅行。但一切希望都没有破灭。增材制造(AM)可望成为解决空间制造极限的关键。

国际空间站(ISS)自1990年代以来一直是一个微重力和空间环境研究实验室,专家们在此获得了有助于未来生存能力的关键知识,尤其是十年前国际空间站计划在下一个月球和火星上执行任务。国家航天局和它的国际及商业伙伴有能力制定人类太空探索计划,但是在任何计划实施之前,他们都需要创造生产设备和材料来加速太空探索。

3D打印机

为更好地理解增材制造和微重力研发方面的当前趋势、研究和挑战,美国国际空间站国家实验室经理、空间科学发展中心(CASIS)举办了《2020虚拟空间增材制造研讨会》。这次会议于2020年7月举行,以微重力材料和工艺为主题,并进行专题介绍和分组讨论。外场资源开发(ISRU)和空间生产。

ISS国家实验室战略和业务发展业务创新部主任EtopEsen解释说,该实验室正与公司合作,利用ISS上的微重力环境,开展创新性科学、技术和创新活动,以应对现实的挑战,努力填补空白,并促进AM在大规模工业制造领域的应用。Esen描述了物质间相在太空中的重要性,他说:“重力不再是主要的变量,而我们又没有“沉积或其他现象的正常过程”。

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关于材料,Jacobs太空探索小组的JenniferEdmundson在支持NASA的马歇尔太空飞行中心(MSFC)时指出,目前还不清楚在地球和其他行星体上发现的任何物质和岩石有多大程度可以被经济地转化并用作3D打印的原料。我们认为,这个解决方案的一部分可能来自对国际空间站回收废料的增材制造研究,这些废料随后可能暴露在低地球轨道(LEO)环境中,用于测试3D打印材料的耐久性。

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Edmonson说,需要有ISRU来改变轨道替换装置和维修部件库存,以使新一代的运行环境能够依赖于可维修、可更换或可维修系统。他还强调说,目前轨道上的备用部件达到12,170公斤,而每年只有450公斤的部件出现故障,所以“大量的备用部件会“积尘”,而“ISRU是获得高效率的唯一经济手段。”人类可持续生存。」

他说:“如果我们在月球上有一个可持续的栖息地,我们就可以把物质移走,将其化学分解,形成其组成元素,然后对其进行重组,制成水泥墙,或为船员提供维生素和氧气。但由于远距离观测只是表面现象,所以我们并不能真正了解其中的成分。”埃德蒙森透露。”要将资源转化为可印刷的原料,有许多步骤。现在,我们必须自问,这些过程现在是否甚至存在于地球上,它们在经济上是否可以扩张,以及这些过程有多大程度依赖于重力。

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关于计划使用重碎石型材料(覆盖着坚硬岩石的表层沉积)的其他星际飞行器,应该对在地球上使用的材料转换过程进行测试,以确定它们是否适合进行重力减低作业,或者是否需要新的技术和材料,Edmonton解释说。可利用ISSAM设备研究不同的AM原料配方,这些原料是根据在月球重石中发现的物质组合配制的。人们建议在这方面的重点研究中使用由月桂石制成的玻璃和玻璃陶瓷,而美国宇航局的MSFC已经使用3D打印糊剂(包括火星模拟的巨石)印刷了亚尺度的结构。

就商界而言,GEAdditive材料性能部门的首席工程师AmberAndreaco表示,对于“大面积”金属结构(如火箭喷嘴),粉末床熔化(PBF)AM目前的局限性是,必须打印部分,然后“缝制”或连接打印的部件。在ISS上的研究机会包括研究连接工艺是如何影响成品材料性能的,如微重力下的疲劳性能,以及对PBF材料样品的LEO暴露研究。

安德雷科说,PBF系统在空间方面存在一些挑战,包括机器的尺寸以及实现特定材料性能的热处理后处理。目前,GE助剂正积极开发适合各种空间应用的大尺寸助剂。安德雷科表示:“从采用的角度来看,联合行业就标准达成一致是一项挑战,”了解法规和设计要求是获得认证的第一步。

主要航天公司TethersUnlimited的代表RobHoyt和MadeInSpace的JustinKugler就已经为空间制造安装或计划安装的ISS设施进行了讨论。TethersRefabricator是一种塑料回收站和3D打印机相结合的系统,目的是在ISS上展示闭环制造和塑料回收过程。“FabLab”系有金属3D打印机,可在太空现场制作精密零件;“FabLab”系有“空间制造增材制造设备”,是首个安装在国际空间站的AM商业平台。

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泰瑟斯的首席执行官霍伊特将太空制造描述为“基石”,并能够与太空的不同市场紧密结合,实现功能性经济。该系统一直致力于研究如何处理太空垃圾或碎片,并对其进行再处理,以便为空间制造制造资源和原料。这家公司的设计难题之一就是将系统高度独立和自动化,以最小化运行宇航员所需的时间。

另外,我们还知道SpaceX的下一次飞行将会把“太空制造”的第一个陶制设备送到国际空间站。相对于地面同类产品,该陶瓷前树脂立体光刻技术可产生高均匀性的陶瓷零件,缺陷较少。对Kugler而言,添加物和快速制造过程(如立体光刻和金属成型)的结合可以在空间中快速产生高质量的零件和材料。

高级制造计划和概念副总裁Kugler表示:“这两个过程的结合是我们进入月球和火星所需的工具。”至于LEO的工业生产,我们必须开始批量生产,这样才能在工业生产所需时间内生产出足够的产品。在批处理中,我认为把因素和可用性结合起来会使整个行业具有可扩展性。

专家们在小组讨论中研究了微重力及其如何实现新的选择,如使用软材料(如弹性体、泡沫和橡胶)、低粘度墨水和新型高分子材料(包括热固性塑料)。聚合系统,连续纤维增强及半结晶聚合物)。在微重力研究中获得的热物性和润湿性的精确测量对空间和地球上的增材制造过程至关重要,应该成为国际空间站研究的一个重点。

另外,在宾夕法尼亚州立大学,材料科学与工程的ssociate教授Kugler和AllisonBeese指出,理解需求、材料性能和设计选择的空间应用对于制造和空间使用产品非常重要,尤其是大型、暴露的结构。最新的设计工具可以帮助利用基于天基的AM可能使用的各种不同的形状和结构。

国家航空航天局和其他已在轨道上进行增材制造或相关活动的组织和企业之间的创新方法,可以为人类的空间探索提供创新的、至关重要的解决方案,从而奠定基础,使技术和材料能够实现空间制造工业化和可扩展处理。

本文链接:http://www.3dsentson.com/news/279.html



标签: 3D打印 太空
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