如果您希望在工作中看到科幻小說，請訪問一家現(xiàn)代化的機械車間，在那里3D打印機可以制作幾乎可以想象的任何形狀的材料。NASA正在探索這項技術(shù)，該技術(shù)被專業(yè)工程師稱為增材制造，用于建造火箭發(fā)動機以及月球和火星上的潛在哨所。不久的將來是一個不同的里程碑：NASA的毅力漫游者號于2021年2月18日降落在紅色星球上，載有11種用3D打印制成的金屬零件。

3-D打印不需要鍛造，模制或切割材料，而是依靠激光熔化連續(xù)層中的粉末以使物體成形。這樣做可以使工程師發(fā)揮獨特的設(shè)計和特質(zhì)，例如使硬件更輕，更堅固或?qū)峄蚶渥鞒龇磻?yīng)。

“這就像與紙莎草紙一起工作，”位于南加州的NASA噴氣推進實驗室的增材制造部門負責人Andre Pate說。“您逐層構(gòu)建每個要素，很快您就會獲得詳細的部分。”

堅持不懈的好奇心是將3D打印帶入《紅色星球》的第一個任務(wù)。它于2012年降落，帶有3D打印的陶瓷零件，位于流動站的火星樣品分析(SAM)儀器內(nèi)。此后，NASA繼續(xù)測試用于航天器的3D打印，以確保人們清楚地了解零件的可靠性。

作為“二級結(jié)構(gòu)”，毅力的印刷零件如果不按計劃工作，不會危及任務(wù)，但正如佩特所說，“將這些零件運送到火星是一個巨大的里程碑，這為在美國進行增材制造提供了更多機會太空工業(yè)。”

PIXL的外殼是NASA恒心火星探測器上的儀器之一，包括幾個由3D打印鈦制成的零件。插圖顯示了完成的兩件式外殼零件的前半部分。圖片來源：NASA / JPL-Caltech

PIXL的外殼

在送往火星的11個印刷零件中，有5個在恒心的PIXL儀器中。飯盒大小的設(shè)備是X射線巖石化學行星儀器的縮寫，它將通過在巖石表面發(fā)射X射線束進行分析，從而幫助流動站尋找化石微生物生命的跡象。

PIXL與漫游車7英尺長(2米長)機器人手臂末端的88磅(40公斤)旋轉(zhuǎn)炮塔中的其他工具共享空間。為了使儀器盡可能輕巧，JPL團隊設(shè)計了PIXL的兩件式鈦金屬外殼，一個安裝框架和兩個支撐桿，該支撐桿將外殼固定到手臂的末端是空心且非常薄。實際上，這些零件是由一家名為Carpenter Additive的供應(yīng)商進行3-D打印的，其質(zhì)量比常規(guī)生產(chǎn)的質(zhì)量少三到四倍。

JPL的PIXL首席機械工程師Michael Schein說：“從非常真實的意義上講，3D打印使該儀器成為可能。“這些技術(shù)使我們能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)制造所無法實現(xiàn)的低質(zhì)量，高精度指向。”

此X射線圖像顯示了Perseverance的MOXIE儀器內(nèi)部3D打印的部件的內(nèi)部。火星的空氣將被帶入該部分中心的細小通道內(nèi)，在此處對其進行預(yù)熱。此類X射線圖像用于檢查零件內(nèi)部是否存在缺陷;在這種情況下，工程師檢查以確保通道中沒有3D打印粉末。圖片來源：NASA / JPL-Caltech

MOXIE提高了熱量

毅力的其他六個3D打印零件可以在名為“火星氧氣現(xiàn)場資源利用實驗”或MOXIE的儀器中找到。該設(shè)備將測試未來會產(chǎn)生工業(yè)量氧氣以在火星上產(chǎn)生火箭推進劑的技術(shù)，從而幫助宇航員返回地球。

為了產(chǎn)生氧氣，MOXIE將火星空氣加熱到接近1,500華氏度(800攝氏度)。該設(shè)備內(nèi)有六個熱交換器-掌心大小的鎳合金板，可保護儀器的關(guān)鍵部件免受高溫的影響。

盡管傳統(tǒng)上需要機械加工的熱交換器需要由兩部分制成并焊接在一起，但是在附近的Caltech上，MOXIE的每張3D打印件都以單張3D打印方式進行管理，后者負責管理NASA的JPL。

JPL的材料工程師薩馬德·菲爾多西(Samad Firdosy)表示：“這些鎳零件被稱為超級合金，因為它們即使在非常高的溫度下也能保持強度。” “超級合金通常存在于噴氣發(fā)動機或發(fā)電渦輪機中。即使在高溫下，它們也確實能很好地抵抗腐蝕。”

盡管新的制造工藝提供了便利，但打印機放下的每一層合金都可能形成會削弱材料強度的孔隙或裂紋。為避免這種情況，在熱等靜壓機(氣體破碎機)中對板進行了處理，該板將材料加熱到超過1,832華氏度(1,000攝氏度)，并在零件周圍均勻地施加了很大的壓力。然后，工程師使用顯微鏡和大量機械測試來檢查換熱器的微觀結(jié)構(gòu)，并確保它們適用于太空飛行。

“我真的很喜歡微觀結(jié)構(gòu)，” Firdosy說。“讓我看到印刷材料時的那種細節(jié)，以及它如何演變成能飛向火星的功能部件，這非?？?。”