太空3D列印

實際任務中的FDM材料

Mini-EUSO（極端宇宙空間天文臺）望遠鏡的紫外線傳感器部分，現在正在俄羅斯Zvezda艙的國際空間站飛行。 將用於將光電倍增管檢測器安裝在平坦焦平面上方的支架，是通過符合空間要求的Ultem 9085燈絲在Stratasys F450系統上進行3D列印的。

（圖片由義大利國家核子物理研究所（INFN）提供）

 

從最近與國際空間站（ISS）連接的，成功的載人航太X發射到第一階段無人駕駛諾斯羅普•格魯曼公司 / 洛克希德•馬丁• 阿耳提米斯• 歐米加航太飛機的發射計劃，參與太空項目的時間真是太酷了。在2021年春季首次亮相！在這些引人注目的項目之間，發射了數百枚小型衛星，無論是227公斤的Starlink還是1公斤的CubeSat。（根據美國太空部隊的太空監視網絡，目前有3000多顆活動中的衛星在軌。）

 

貫穿這些技術成就的一個共同點是使用3D列印的聚合物零件，不僅用作製造工具和固定裝置，還用作經過飛行認證的最終用途組件。已經使用的應用程式包括：

–總線結構，航空電子和電氣系統的外殼，外殼和蓋

–線束的安裝/佈線支架和線夾

–隔離不同機載實驗的屏障結構

這些應用的數量和種類可能會讓您感到驚訝，特別是用Stratasys 熔融沈積建模（FDM）印刷零件所演示的零件，該零件由兩種當前選擇的材料之一製成：Ultem 9085和Antero ESD（Antero 840CN03）。

 

結實，輕巧，可用於太空的材料

 

如果一個行業需要輕質零件，那就是航太工業。裝載到火箭上的每一公斤都需要用物理學確定的昂貴燃料來產生推力，以將其推向地球重力。此外，大多數組件都是一種或很小的體積。難怪工程師們已經工作了數十年，用有效，重量輕的聚合物代替緻密金屬。

 

這些聚合物必須滿足嚴格的機械性能要求：

• 高強度重量比

• 耐熱高達320F / 167C

• 對各種醇，溶劑和油具有化學耐受性

• 不易燃

• 不易氣體外洩

 

除此之外，還需要以與增材製造相容的形式進行工作，並且材料選擇的數量會減少。但是，有兩根絲達到了等級。

 

Ultem 9085是由SABIC開發並以原始形式銷售的聚醚醯亞胺（PEI）熱塑性塑膠。Stratasys使用嚴格的質量控制將其轉換為可以在其最大的工業列印機上運行的長絲，並且還提供包括詳細的生產測試數據和可追溯的批號的認證等級。

 

自2011年以來，Stratasys Ultem 9085零件已通過認證並已在飛機上飛行，並且自2013年起已成為航天器的關鍵組件，例如通常用於補充國際空間站的諾斯羅普•格魯曼•安塔雷斯飛機。麻省理工學院 / NASA艾姆斯研究中心的同步位置保持，接合，定向實驗衛星（SPHERES） 是使用Ultem 9085零件的一個不尋常的項目。自2006年以來，這些彩色納米衛星的各種反覆運算形式（看起來像排球大小的骰子）已在國際空間站內漂浮，其最初目標是測試遠程式控制制集合點並停靠兩個或多個失重所需的演算法和傳感器。衛星型結構。

 

從那時起，已經建造了許多不同的版本並交付給國際空間站的宇航員。高中和大學生都大量參與設計實驗，以測試微重力下的材料的物理和機械性能，例如無線電力傳輸。2014年，“ Slosh”項目使用Ultem 9085零件來幫助連接單元，以研究流體的行為，例如容器之間的燃料晃動。

 

國際空間站上的三架MIT / NASA艾姆斯研究中心的同步定位，參與，定向實驗衛星（SPHERES）。由AA電池供電，這些納米衛星的版本在美國命運實驗室模塊中用於評估“編隊飛行”和其他演習，並用於研究無線電力傳輸等概念。一些反覆運算包括Ultem 9085製成的3D列印零件。（圖片由NASA提供）

 

最近，在2020年5月，美國國家核子物理研究所 （INFN）的義大利研究人員依靠Ultem 9085在其紫外線望遠鏡中製造了幾個最終部件，該部件現已在國際空間站上運行。這套設備被稱為Mini-EUSO（極端宇宙空間天文臺），是對陸地和宇宙UV輻射進行多組件/多年研究的一項內容，現已安裝在ISS俄羅斯的對地窗戶中Zvezda模塊。

 

參與Mini-EUSO的科學家指出，3D列印為定制支架的開發和製造過程節省了很多時間，該支架將光電倍增檢測器連接到焦面的頂部和底部，甚至可以在鏡頭的“後期”進行修改。設計過程。它們的使用還節省了幾公斤的上傳質量。

 

Mini-EUSO（極端宇宙空間天文臺）現在正在俄羅斯Zvezda艙的國際空間站飛行。上圖：3D列印的Ultem 9085支架（紅色）的特寫鏡頭，用於將檢測器單元安裝到焦平面的上下邊緣（藍色/紫色正方形）。左下：在支架上添加了3D列印面板。右下：包含電子設備的最終單元，安裝在完整的Mini-EUSO儀器外殼中。（圖片由義大利國家核子物理研究所（INFN）提供）

 

靜電耗散PEKK：Antero ESD

儘管Ultem 9085已被證明對許多天基應用極為有用，但對於某些應用，甚至還需要更多功能。一直在尋找一種靜電耗散的燈絲，該燈絲還具有出色的化學，機械和火焰/煙霧/毒性特性。美國國家航空航天局戈達德航太中心成為Stratasys隨後開發Antero ESD（Antero 840CN03）的推動力，後者是基於已經成功的Antero 800NA製成的燈絲。

 

兩種Antero產品均基於聚醚酮酮（PEKK），一種高強度，耐化學腐蝕的材料。此外，ESD版本還裝有碳納米管短切纖維，提供了適度導電的“出口路徑”，可自然消散正常運行期間積累的任何電荷。它還可以防止粉末，灰塵或細小顆粒粘附在表面上。

 

美國國家航空航天局（NASA）於2018年以支架的形式首飛了Antero ESD零件，該支架將光纖電纜平穩地固定在適當的位置。它位於名為“冰，雲和陸地高程衛星2（ICESat-2）” 的氣候變化監測衛星內部。該衛星由當時的諾斯羅普•格魯曼創新系統公司（現為諾斯羅普•格魯曼航太系統公司的一部分）製造和測試。該儀器本身稱為高級地形鐳射測高儀系統（ATLAS），是一種基於空間的鐳射雷達單元。該衛星由NASA戈達德太空飛行中心建造和管理，可監視極地冰蓋厚度變化等數據。

 

 

朝著NASA先進地形鐳射測高儀（ATLAS）儀器的背面顯示了Stratasys Antero ESD（Antero 840CN03）3D列印部件（黑色彎曲支架，用於固定光纖）。該設備於2018年發射，在冰，雲和陸地高空衛星2（ICESat-2）衛星上運行。（圖片由NASA提供）

 

倒數啟動

 

更大的Antero ESD應用程式（以多種方式擴展）正在等待其首次亮相，其中包括 由洛克希德•馬丁航太系統公司設計和製造的Orion模塊的各個部分。作為NASA 阿耳 carry 彌斯計劃的一部分，該飛船最終將把宇航員帶到月球及以後，首次非月球軌道定於2021年春季發射。

 

獵戶座飛船的對接艙口蓋完全由Antero ESD印刷的部分製成。六個具有復雜曲線和切口的扇形小節配合在一起，形成一個直徑一米的帶中心孔的環。（如果使用了Ultem 9085，則零件將需要第二層塗層或鍍鎳層以偏轉靜電荷，從而使Antero ESD選項非常吸引人。）

 

準備，設置，列印，啟動！

 

 

 

用Stratasys Antero 840CN03 3D列印的Orion航天器六件式艙口蓋的整體視圖和特寫鏡頭，這是一種碳納米管纖維填充的PEKK熱塑性塑膠，具有ESD性能。整個外殼直徑約為一米。（圖片由洛克希德•馬丁太空系統公司提供）

(文章轉載自：http://www.padtinc.com/blog/3d-printing-for-space-fdm-materials-on-real-missions/)

 

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