研究人员与NASA合作，成功3D打印挥发物极地探测车车轮原型

2023年10月9日，南极熊获悉，美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员与NASA合作，通过成功3D打印与NASA挥发物极地探测车（VIPER）设计相同的轮子。该项目展示了增材制造在太空探索中的潜力，即可以通3D打印技术来提升太空探索的效率和可靠性。

△NASA机械设计工程师Richard Hagen和ORNL研究员Michael Borish，在检查3D打印月球车轮原型

挥发物极地探测车是美国宇航局计划于2024年发射道月球的移动机器人，用于绘制月球南极的冰和其它潜在资源地图。该任务旨在帮助确定月球水的来源和分布，以及是否可以从月球表面收集足够的水，来支持未来在那里的人类居住。

尽管在橡树岭国家实验室（ORNL）的制造示范设施（MDF）中打印的原型车轮，不会直接用于NASA的登月任务，但其设计目的是制造与探测车相同设计规格的部件，以供未来用于月球或火星探测器等任务。同时，进行了额外的测试以验证设计和制造方法。

MDF表示，增材制造可以减少能源使用、材料浪费和交货时间，同时实现设计复杂性和材料特性的定制。十多年来，该机构一直在开发3D打印技术，以广泛应用于清洁能源、交通和制造领域。

△位于橡树岭国家实验室的旋转PBF系统（左）和GE全球研究院的原始系统示意图（右）

MDF研究人员在2022年秋季在橡树岭实验室，使用专用的3D打印机制造了一个流动轮的原型。该打印机使用了两个协调的激光器和一个旋转构建板，以有选择性地将金属粉末熔化成所需的设计形状。

典型的金属粉末床系统按步骤操作：在机柜大小的机器中，它们在固定板上耙上一层粉末。然后，激光选择性地熔化一层，然后板稍微降低并重复该过程。负责MDF新型激光粉末床融合系统开发的Peter Wang表示，这个3D打印机的独特之处在于它能够在一个连续的过程中打印大型物体，即在制造大尺寸物品时，所有步骤可以同时进行，而不需要多个独立的步骤。这可以提高效率并加快大型物体的制造速度。

△尽管可以为车轮提供更复杂的辐条图案和辐条锁定功能，但3D打印简化了车轮设计并降低了成本，并使最终组装变得更加容易

成本与设计优化同时受益

Wang补充道：“在相同的激光功率下，这极大地提高了生产率。沉积速度加快了50%。我们只是触及了该系统功能的表面。我真的认为这将成为激光粉末床打印的未来，特别是在大规模和批量生产中。”

△项目团队成员最近在《3D打印和增材制造》杂志上发表了一项研究，分析了打印电动机等组件技术的可扩展性（传送门）

虽然该机器非常独特，但该项目成功的关键在于，研究人员在过程自动化和机器控制方面的专业知识。他们使用橡树岭国家实验室开发的软件，将车轮设计垂直分层进行“切片”，然后平衡两个激光器之间的工作负载以均匀打印，利用最近提交专利保护的计算技术来实现高生产率。

原型轮是该系统生产的首批部件之一，展示了机构间协作的价值。橡树岭国家实验室火星车轮项目的负责人Brian Gibson说道：“与NASA合作的项目确实推动了这项技术的发展。将功能与发展需求联系起来真是太棒了，团队很高兴能够制作具有太空探索应用的原型组件。”

该原型轮由镍基合金制成，宽约8英寸，直径约20英寸，比使用金属粉末床系统打印的典型零件大得多。制造它需要能够打印分布在大工作区域的小几何特征。Gibson说，增材制造使轮圈设计变得更加复杂，而不会增加成本或制造难度。

△增材制造允许将精细的设计细节（例如圆顶形状的波浪胎面）纳入原型月球轮中

传统制造与3D打印的区别

相比之下，明年将在月球探测的四个VIPER车轮，需要多个制造工艺和组装步骤。VIPER的50片轮辋由360个铆接接头固定在一起。目的是为了满足任务的严格要求，制造过程需要复杂且耗时的机械加工。

如果NASA测试证明3D打印原型与传统制造的车轮一样坚固，那么未来的漫游车可以改用单个打印轮圈，而ORNL需要40个小时才能制造出来。通过该项目，橡树岭国家实验室和美国宇航局工程师还探索了打印精确的设计特征，例如倾斜的侧壁、圆顶形状和波浪形胎面，以增加车轮的刚度。

使用传统制造方法很难将这些特性融入到当前的VIPER车轮设计中。尽管可以为车轮提供更复杂的辐条图案和辐条锁定功能，但3D打印简化了车轮设计并降低了成本，并使最终组装变得更加容易。

NASA机械设计工程师兼NASA休斯敦约翰逊航天中心增材制造实验室经理Richard Hagen表示：“车轮的许多功能只是为了强调增材制造的用途。橡树岭国家实验室打印大型物体的能力，证明了增材制造技术在为月球和火星任务生产更大的火星车轮方面的潜力。

在3D打印过程中，他们也遇到挑战，专用打印机仅能使用某些特定材料（例如镍基合金），因此3D打印的车轮比铝VIPER车轮重50%，但打印厚度相似。

下一步NASA计划会进一步在约翰逊航天中心或指定测试机构测试3D打印车轮的性能。评估人员将评估车轮的可操纵性、旋转阻力、侧滑、爬坡和其他性能指标。

研究人员表示，3D打印具有根据测试快速更新迭代的优势。它还可以包含更多的复杂性，例如悬架系统，而不会增加弱点。

Hagen表示，作为该机构阿耳忒弥斯计划的一部分，在月球上设置的载人研究站将需要地外制造能力。他说：“能够在太空中制造维修零件非常重要，因为你无法获得足够的备件。用于打印的粉末、颗粒或长丝更容易包装，并且具有更大的灵活性。”

Gibson强调，通过3D打印的灵活性，我们可以使用现有原料制造所需的各种零件，无论是在地球还是太空中。