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NASA：持續(xù)推動(dòng)太空3D打印技術(shù)的發(fā)展

更新時(shí)間:2023-05-04 14:01:47

導(dǎo)讀：NASA一直以來(lái)都在積極推進(jìn)太空3D打印的發(fā)展，以期直接在軌道上生產(chǎn)航天器、火箭部件、先進(jìn)材料和更大的結(jié)構(gòu)，3D打印將徹底改變傳統(tǒng)的地外制造。因此，各大太空機(jī)構(gòu)都正在積極采取各種方法，為太空制造做準(zhǔn)備，這種技術(shù)能夠在推動(dòng)地球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)改變太空工業(yè)的潛力，有可能推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的前沿發(fā)展，降低發(fā)射成本，提高任務(wù)靈活性，并實(shí)現(xiàn)按需零件和工具的創(chuàng)建，從而使太空探索更加高效和可持續(xù)。

2023年5月，南極熊獲悉，NASA 宣布成立The Consortium for Space Mobility and ISAM Capabilities ——太空機(jī)動(dòng)性和 ISAM 能力聯(lián)盟(COSMIC)，專(zhuān)注于使空間服務(wù)、組裝和制造 (ISAM) 能力成為空間架構(gòu)和任務(wù)生命周期的常規(guī)部分。NASA還發(fā)布了一種名為 GRX-810 的新型 3D 打印超級(jí)合金，已通過(guò)3D Systems的測(cè)試，并授予德克薩斯州立大學(xué)一筆資金，用于開(kāi)發(fā)用于月球增材建筑的月球混凝土。

ISAM技術(shù)是一種新型的輕量化航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造方法，它采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，通過(guò)將多個(gè)金屬部件組合成單一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了完全一體化，從而減少了連接點(diǎn)和螺釘數(shù)量，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)降低了重量和生產(chǎn)成本。ISAM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，可以提高飛行器的質(zhì)量、效率和安全性能。

COSMIC 將如何支持太空制造
此聯(lián)盟在 NASA空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì)(STMD) 的領(lǐng)導(dǎo)下，由聯(lián)邦資助的研發(fā)中心 (FFRDC) 航空航天公司運(yùn)營(yíng)，COSMIC 將使 ISAM 過(guò)渡到實(shí)用，成為空間架構(gòu)和任務(wù)生命周期的常規(guī)部分。

STMD 的技術(shù)演示總監(jiān) Trudy Kortes 說(shuō)：“數(shù)十年來(lái)，NASA、政府機(jī)構(gòu)和工業(yè)界一直在投資機(jī)器人 ISAM 技術(shù)，但現(xiàn)代衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和建造很少會(huì)考慮這個(gè)技術(shù)，我們想改變這一點(diǎn)?！?br style="overflow-wrap: break-word;">

△在軌服務(wù)、組裝和制造 1 (OSAM-1) 自動(dòng)捕獲試驗(yàn)臺(tái)的細(xì)節(jié)照片
太空機(jī)動(dòng)和 ISAM 能力聯(lián)盟 (COSMIC) 是一個(gè)全國(guó)性的聯(lián)盟，將振興美國(guó)的太空服務(wù)、組裝和制造 (ISAM) 能力。

●COSMIC 的愿景：創(chuàng)建一個(gè)全美國(guó)性質(zhì)的聯(lián)盟，使美國(guó)太空界能夠在 ISAM 方面發(fā)揮全球領(lǐng)導(dǎo)作用。

●COSMIC 的使命：使 ISAM 成為空間架構(gòu)和任務(wù)生命周期的常規(guī)部分。

超級(jí)合金
來(lái)自美國(guó)宇航局克利夫蘭格倫研究中心和俄亥俄州立大學(xué)的一組研究人員在《自然》雜志上發(fā)表的一篇論文，詳細(xì)描述了一種專(zhuān)為極端環(huán)境設(shè)計(jì)的新型 3D 打印合金，名為GRX-810 ，這是NASA開(kāi)創(chuàng)性的新型激光粉末床熔融超級(jí)合金，已通過(guò) 3D Systems 的成功驗(yàn)證。這種超級(jí)合金有可能大幅提高用于航空和太空探索的零部件的強(qiáng)度和韌性。

△由可3D打印的新型合金 GRX-810 制成的 NASA 徽標(biāo)。

Smith 和他在 Glenn 的同事 Christopher Kantzos 使用計(jì)算機(jī)建模和激光 3D 打印工藝發(fā)明了 GRX-810，逐層融合金屬制造新合金。GRX-810是一種氧化物彌散強(qiáng)化合金，即含有氧原子的微小粒子遍布合金各處，增強(qiáng)強(qiáng)度。非常適合用于制造高溫應(yīng)用的航空航天部件，例如飛機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的部件，因?yàn)樗鼈兛梢栽谶_(dá)到斷裂點(diǎn)之前承受更惡劣的條件。當(dāng)報(bào)道過(guò)的最先進(jìn)的3D打印超級(jí)合金可以承受高達(dá) 2,000 華氏度的溫度。與之相比，GRX-810 的強(qiáng)度是其兩倍，耐用性是其 1,000 多倍，抗氧化性也是其兩倍。

△3D Systems 驗(yàn)證了 NASA 新型超級(jí)合金 GRX-810 的性能。圖片由 3D Systems 提供。

為了驗(yàn)證其性能，3D Systems 使用直接金屬打印 (DMP) 平臺(tái) DMP Factory 500 來(lái)打印和測(cè)試 GRX-810 的高溫機(jī)械性能。據(jù)該公司稱(chēng)，它表現(xiàn)出卓越的機(jī)械性能和對(duì)極端溫度的耐受性，是航空航天應(yīng)用的理想選擇。

3D Systems 航空航天和國(guó)防副總裁 Michael Shepard 解釋說(shuō)：“ NASA GRX-810的性能驗(yàn)證證明了這種合金的巨大潛力，比如可重復(fù)制造性能方面。此外 NASA 提供的這種材料能夠突破增材制造的界限并實(shí)現(xiàn)下一代航空航天部件的生產(chǎn)?！?br style="overflow-wrap: break-word;">
這被稱(chēng)為 NASA Glenn 有史以來(lái)最成功的技術(shù)專(zhuān)利之一，可能成為未來(lái)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪葉片和排氣噴嘴部件等關(guān)鍵部件的理想候選者。

月球可用資源
德克薩斯州立大學(xué)已獲得 5萬(wàn)美元的資金，用于進(jìn)一步開(kāi)發(fā) CaerusCrete，這是一種利用月球上可用資源作為建筑材料的技術(shù)。

△德克薩斯州立大學(xué)的團(tuán)隊(duì)獲得的資助。

CaerusCrete最初是一個(gè)本科生項(xiàng)目，探索了堿激活機(jī)制可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的顆粒材料（例如月球風(fēng)化層）以獲得足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的想法。太空任務(wù)對(duì)其攜帶的物品有嚴(yán)格的限制，導(dǎo)致原位資源利用(ISRU) 成為未來(lái)太空探索和生存的主導(dǎo)概念。

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