ORNL和NASA 3D 打印月球车轮原型，大幅提升复杂太空零部件生产效率

2023年10月9日，南极熊获悉，美国能源部橡树岭国家实验室 (ORNL)和 NASA 的研究人员利用3D 打印仿制了一个与 NASA 机器人月球车类似的车轮，这一成果展示了3D打印技术在制造太空探索核心专用部件方面的潜力。

3D打印的车轮是仿造了NASA计划在2024年部署的探索月球南极冰和其他资源的机器人VolatilesInvestigating Polar Exploration Rover（VIPER）月球车上所使用的设计。VIPER 的任务将帮助科学家了解月球水的来源、分布和潜在的收集能力，以支持人类居住。

△NASA 机械设计工程师 Richard Hagen（左）和 ORNL 研究员 Michael Borish 检查在制造演示设施 3D 打印的月球车轮原型。图片来源：Carlos Jones，ORNL/美国能源部。

尽管此次打印的车轮原型并非注定要登上月球，但它符合 NASA VIPER 轮子的设计标准。进一步的测试将评估这种设计及其制造方法，以用于未来的太空任务。

增材制造可以减少能源消耗、材料浪费和交货时间，还支持复杂的设计并允许定制材料属性。美国能源部的制造示范设施 (MDF) 十多年来一直引领此类技术，并于 2022 年使用独特的 3D 打印机开发了车轮原型。这台打印机的大小足以容纳一个人，它部署两个同步激光器和一个旋转的构建板，以选择性地将金属粉末熔化成所需的结构。与标准金属粉末床系统不同，该系统能够连续工作，允许各个制造过程同时发生。

△打印流动轮原型的团队成员在激光粉末床打印机前展示了在 MDF 中创建的结果。图片来源：Carlos Jones，ORNL/美国能源部。

负责新型激光粉末床熔融系统 MDF 开发的 Peter Wang 说道：“在相同的激光功率下，这大大提高了生产率，沉积速度提高了50%。我们只是触及了该系统功能的皮毛。我真的认为这将是激光粉末床打印的未来，尤其是大规模和批量生产。” Wang和项目团队成员最近发表了一项研究，分析了电动机等打印组件技术的可扩展性。该研究以题为“Improved Productivity with Multilaser Rotary Powder Bed FusionAdditive Manufacturing”的论文被发表在《3D Printing and AdditiveManufacturing》期刊上。

相关论文链接：https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/3dp.2022.0288

Wang 强调，打印机的独特性与团队在自动化和机器控制方面的专业知识相匹配。研究人员利用橡树岭国家实验室开发的软件将车轮的设计分割成垂直部分——在两个激光器之间均匀分配工作——从而实现高效的生产率。这种方法利用了最近提出的专利计算技术。

该车轮原型由镍基合金制成，宽度为 8 英寸，直径为 20 英寸，比通常使用金属粉末系统打印的零件要大。使用 3D 打印，该团队实现了复杂的轮圈设计，没有额外的成本或制造挑战。相比之下，VIPER 的轮子即将在月球上滚动，需要经历大量的制造和组装程序，这使得它们的生产流程变得复杂且耗时耗力。

△尽管为车轮提供了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。图片来源：CarlosJones，ORNL/美国能源部。

美国宇航局机械设计工程师兼休斯敦美国宇航局约翰逊航天中心增材制造实验室经理理查德·哈根说：“许多车轮特征的加入只是为了强调增材制造的用途，它可以让您轻松实现传统工具甚至传统加工零件难以实现的设计功能。”

如果 3D 打印的车轮与传统制造的车轮的坚固性相匹配，未来的漫游者可能会选择这种单打印轮圈，该轮圈在 ORNL 只花了 40 个小时就生产出来。3D 打印工艺引入了倾斜侧壁、圆顶形状和波浪形胎面等功能，从而增强了车轮的刚度。

△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。图片来源：Carlos Jones，ORNL/美国能源部。

然而，3D 打印的车轮也有局限性。该打印机仅适用于特定材料，因此当打印厚度相似时，3D 打印的车轮要比 VIPER 的铝制车轮重 50%。NASA 打算在 NASA 约翰逊航天中心或专门的测试设施的流动站上测试这种 3D 打印车轮的性能，评估各种性能指标。

作为NASA机构阿耳忒弥斯计划的一部分，在月球上建立的载人研究站将需要地外制造能力。哈根说：“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。”

△橡树岭国家实验室 MDF 的研究人员监测了原型月球轮的打印过程，同时用两束激光熔化金属粉末来建造它。图片来源：Carlos Jones，ORNL/美国能源部。

橡树岭国家实验室火星车轮项目的负责人布莱恩·吉布森 (Brian Gibson) 说：“增材制造提供了灵活性，如果你有原料，你就可以制造你需要的任何替换零件，无论是在太空还是在地球上。”

这就是增材制造引起了一系列替代需求的极大兴趣的原因，从快速制造的模具到难以采购的铸件和锻件。对于太空探索和居住，3D 打印机未来甚至可以使用来自月球或火星的当地材料作为原料，从而生产出我们想要的工具。