悉尼大學(xué)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的工程師設(shè)計(jì)了一種能夠在模擬空間條件下在高溫下處理PEEK材料的3D打印機(jī)。
據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱，使用熔融沉積成型(FDM)3D打印，可以在軌生產(chǎn)PEEK衛(wèi)星備件，但空間中發(fā)生的熱傳遞不足會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前系統(tǒng)過(guò)熱。為了克服這個(gè)問(wèn)題，研究人員開發(fā)了一種帶有比例積分 (PI) 控制器的新型3D打印機(jī)，能夠在高達(dá)400°C的真空中運(yùn)行，這可能使其成為未來(lái)在軌維修任務(wù)的理想選擇。
研究人員提出的軌道3D打印系統(tǒng)示意圖
圖片來(lái)源：《空間研究進(jìn)展》雜志
衛(wèi)星維修難題？
目前在地球軌道上有約2,500顆衛(wèi)星。除了通訊衛(wèi)星，一部分衛(wèi)星對(duì)于引導(dǎo)太空任務(wù)也至關(guān)重要，因此它們的失效有可能使航天器偏離軌道，并產(chǎn)生可能損壞航天器的碎片。
從理論上講，通過(guò)“在軌制造”對(duì)其進(jìn)行維修，可以防止衛(wèi)星出現(xiàn)故障。研究人員認(rèn)為這種方法比將裝有維修裝置的火箭發(fā)射到軌道上的成本更低。
然而，中國(guó)和澳大利亞的研究人員表示，到 2030年，在軌制造的成本預(yù)計(jì)仍將飆升至62 億美元。為了幫助航空航天公司減少在這方面的支出，該團(tuán)隊(duì)因此強(qiáng)調(diào)了3D打印實(shí)驗(yàn)在國(guó)際空間站上的成功，并建議該技術(shù)可以部署在外層空間以及載人航天器上。
特別是，工程師們認(rèn)為FDM機(jī)器可能是進(jìn)行在軌制造的理想選擇，因?yàn)樗鼈儧](méi)有激光器，依賴于易于儲(chǔ)存的絲材以及與PEEK等堅(jiān)固材料。然而，盡管他們對(duì)該技術(shù)持樂(lè)觀態(tài)度，但該團(tuán)隊(duì)承認(rèn)，由于過(guò)度熔化的絲材，當(dāng)前的系統(tǒng)很容易受到材料堵塞的影響。
該團(tuán)隊(duì)軌道3D打印機(jī)（如圖）的中心管旨在防止高溫堵塞
圖片來(lái)源：《空間研究進(jìn)展》雜志
在真空中打印
為了使在軌3D打印更加可行，研究人員著手開發(fā)一種3D打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有升級(jí)的熱控制單元，可以降落在衛(wèi)星上，然后使用機(jī)械臂更換損壞的部件。除了機(jī)械臂和起落架，該團(tuán)隊(duì)的第一個(gè)原型是標(biāo)準(zhǔn)FDM打印機(jī)的的基本結(jié)構(gòu)，配有加熱棒、塊、水槽、帶子、擠出機(jī)和散熱器。
作為評(píng)估機(jī)器潛力的一種方式，該團(tuán)隊(duì)選擇進(jìn)行一些PEEK打印模擬。有趣的是，結(jié)果表明，增加設(shè)備的散熱器和散熱器之間的帶子數(shù)量能夠更有效地控制其中心管的溫度，同時(shí)防止在進(jìn)料過(guò)程中熔化的絲材回流。
通過(guò)模擬，工程師們還發(fā)現(xiàn)，在降低重力的情況下打印會(huì)導(dǎo)致材料自身附著在系統(tǒng)的內(nèi)管上，增加摩擦并可能造成堵塞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)反復(fù)修改了這一部分，然后提出了一種設(shè)計(jì)，用于提高其熱傳導(dǎo)效率，使其能夠在高達(dá) 400°C的熱量下運(yùn)行。
最后，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，該模型證明了引入“模糊PI控制模塊”將為他們的系統(tǒng)帶來(lái)的好處。該設(shè)備本質(zhì)上是作為故障保護(hù)裝置，在溫度達(dá)到380°C時(shí)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)以防止過(guò)熱和修復(fù)錯(cuò)誤。
下一步，工程師們將在物理真空室中進(jìn)行測(cè)試。將來(lái)，如果他們的打印機(jī)要找到最終用途的應(yīng)用程序，該團(tuán)隊(duì)相信他們無(wú)需通過(guò)額外發(fā)射衛(wèi)星進(jìn)行維修來(lái)幫助“降低太空探索的成本和時(shí)間”。
Redwire現(xiàn)在已經(jīng)在國(guó)際空間站上安裝了幾臺(tái)3D打印設(shè)備，包括其Regolith Print
照片來(lái)源：Redwire
增材制造在軌應(yīng)用
太空中的3D打印聽起來(lái)像是科幻小說(shuō)領(lǐng)域的東西，但該技術(shù)之前已經(jīng)在美國(guó)宇航局的國(guó)際空間站 (ISS) 上進(jìn)行了行星外測(cè)試。該領(lǐng)域的領(lǐng)先者之一是Made In Space，它現(xiàn)在是Redwire的子公司，該公司去年在軌道基地上安裝了一個(gè)新的陶瓷3D打印模塊。
該公司的技術(shù)也將安裝在Blue Origin和Sierra Space即將推出的商業(yè)“軌道礁”空間站上。新基地定于2026年發(fā)射，預(yù)計(jì)將作為“混合用途商業(yè)園區(qū)”，同時(shí)進(jìn)行“太空制造”的持續(xù)微重力研發(fā)和實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)測(cè)試。
與此同時(shí)，在慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)，研究人員采用了與澳大利亞-中國(guó)團(tuán)隊(duì)類似的方法，并開發(fā)了一種軌道衛(wèi)星3D打印機(jī)。該系統(tǒng)旨在減少將維修設(shè)備發(fā)射到太空的需要，未來(lái)可以在零重力條件下構(gòu)建整個(gè)太陽(yáng)能電池板或天線相關(guān)部件。
研究人員的研究結(jié)果在題為“在軌3D打印平臺(tái)的擠壓和熱控制設(shè)計(jì)”的論文中有詳細(xì)介紹，該論文由Jianning Tang、Trevor Hocksun Kwan 和 Xiaofeng Wu合著。
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