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ESA的增材制造,alpha和omega

AM让我们比以往任何时候都更接近太空。欧洲航天局结构、机制和材料部门的负责人Tommaso Ghidini博士解释了如何做到这一点

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太空是增材制造的最初前沿。这是AM最有意义的地方,也是AM从一开始就最有意义的地方。作为结构,机制和材料司司长欧洲航天局Tommaso Ghidini博士在欧洲航天局负责识别和完善用于太空探索的增材制造。

他的部门提供工程技术支持,当前飞行,从通信卫星在深空科学任务,以探索任务在其他行星上,人类太空飞行的所有任务,给火箭带来了有效载荷和宇航员送入太空。ESA之前,Ghidini博士曾为空客公司在欧洲航空业的所有主要的民用和军用方案,包括A380,A350和A400M飞机。

在过去十年中,这种经验对运行大量增材制造程序和测试起到了重要作用。正如Ghidini博士在这次独家采访中所解释的那样,当欧洲航天局的科学家和工程师明白他们可以用AM做什么时,一个充满可能性的宇宙打开了。欧洲航天局的增材制造技术是使人类太空旅行首先更容易实现,然后更便宜的技术之一。从地球到轨道,从轨道到外层空间,然后到其他行星的表面。

结构,机制和材料划分是ESA中最大的划分,在其内部工作超过一百人。ESA的添加剂制造收到了一部分资金,所有22个成员国支持ESA清楚地了解其重要性。该司的工作是膨胀的,并开始在特派团设计阶段。由于定义了特定任务所需的物理硬件,该司对大量硬件交互以及所有可能的系统和子系统提供支持,工程服务和复杂的数值和实验分析。

“一旦设计”祝福“,我们开始制造它,”Ghidini博士告诉3DPBM。伟德亚洲游戏室这意味着支持制造商在限定所有结构的所有材料,流程,系统,子系统和电子设备方面。“应该出错 - 因为有时事情会出错 - 我们充当一个完全独立和公正的权力,以执行量身定制的失败调查,有点像”太空的CSI“,”他解释道。

ESA添加剂制造
ESA,ArianEgroup和DLR德国航空航天中心已经建造和热火测试了完全加剧制造的推力室。©ArianEgroup GmbH.

一旦宇宙飞船建成,所有可能的故障都解决了,关键时刻就来了:全尺寸测试。“过去,我们的职责在发射阶段和运营阶段就结束了。我们已经添加了“设计死亡”功能,这意味着我们不仅需要确保飞船可以执行任务——发射,达到空间或一个星球和操作任何数量的年它是必需的,但也保证航天器将瓦解下山,回到地球了。”

除了日常工作之外,Ghidini博士的部门还致力于确定未来任务所需的技术。“我们对市场进行筛选,以确定技术,然后将其成熟,用于太空应用。”AM就是这样出现的。如果你喜欢加法,又对太空着迷,那就系好安全带,舒服点吧:这将是一次远离这个世界的旅行。

从案例研究到标准化

AM如何开始其在ESA的旅程是一个迷人的故事,一个许多AM采用者可以联系。“这可以追溯到2006年,它始于一次失败,”Ghidini博士告诉我们。“国际空间站(ISS)发生了重大异常。哥伦布模块的水泵开/关阀故障。这个阀门非常重要,因为它可以调节温度。国际空间站在阳光下的温度为+180°C,在地球阴影下的温度为-180°C:一个360°C的热梯度。我们需要将空间站内的温度保持在22摄氏度,以使宇航员感到舒适。所以,我们让航天飞机把阀门带回地球和我们的实验室进行研究。我们理解了这个问题并解决了它。就是这样。 Nothing to do with additive. What it did have to do with additive is that that particular valve was, from a manufacturing point of view, an ideal case study to try out this new technology.”

加法制造
这个有机风格的支架,专为阿丽亚娜发射器的内部设计,是3D打印的适合太空的钛合金,用于一个研发项目。伟德亚洲游戏室©ESA-A。亚伯

当时,ESA的塑料添加剂制造被用于原型,但金属仍处于早期。ESA与空中客车配合,并决定将其用作案例研究。“我们对结果感到震惊。从减肥到添加剂,我们将材料浪费减少75%至5%。使用如此少的材料,它使从不锈钢转向钛的经济意义,这更昂贵,但也具有优异的重量与强度比。“部分重量减少了50%,制造时间减少了几个小时。而不是将两件焊接在一起,这将需要额外的检查,它是一步建立的。“所以,在某种程度上,我们赢了。但是,“Ghidini博士承认,”我们没有。“

这是第二次失败的故事:在接近3D打印时常见错误。伟德亚洲游戏室“我们只是复制了旧设计,”Ghidini博士说。“我们像它一样再现阀门。真正受益于AM,特别是在太空应用中,您需要为上午设计设计。“

Ghidini博士继续说道:“当我们吸取教训的时候,我们第一次意识到,我们能够接触到一种制造技术,使我们能够从为制造而设计转向为性能而设计:就像大自然母亲所做的那样,不断增长。我们意识到我们可以把材料分配到负载所在的地方。我们知道,我们可以大幅降低质量,这是任何需要被送入轨道的部件的关键优先事项。”

每公斤批量发射到太空中的成本在成千上万的成本之间,取决于距离地球的距离。此外,发射器还有有限的空间。所以,零件越小,越好。然而,使小部件也意味着更复杂的几何形状和更难的采样材料。

Ghidini博士解释说:“材料供应链对我们来说非常具有挑战性,因为我们要求非常高的性能和非常小的量。”“我们正在飞往太阳和外行星。我们正在其他星球上着陆。我们的任务需要在极具侵略性的环境中执行很多年。我们的生产规模非常有限。此外,很少有制造工艺可以达到我们想要的性能,并结合非常高的可靠性。一旦零件进入太空,它就消失了。它可能不得不在没有任何维护或维修的情况下连续工作几十年。”

作为一个项目的一部分,两个机械手臂一起工作,将建造有史以来最大、最复杂的钛3D打印物体:欧洲航天局雅ena x射线天文台中心直径3米的“光学工作台”的测试版本。伟德亚洲游戏室©弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所IWS

添加剂提供了一个可能的解决所有这些挑战。首先,因为它运作良好,在一个小一系列复杂的零件。它还可以与种类繁多的材料:从金属和聚合物,以复合材料和陶瓷,食品,细胞(与生物打印),混凝土和地质聚合物。现在,您可以在结构尺寸范围从微米到米使用AM。AM,使重量减轻多达90%,而几个星期准备时间减少,对非常复杂的组件压缩制造链。通过去除螺栓和焊缝,现在有可能生产出不能够利用传统的制造,即使嵌入新的功能,如热的功能,为结构的结构。

“例如,考虑今天推进器的推进器是由近200份需要组装的,”Ghidini博士说。“现在你可以在一件中完成推进器。”但并非所有闪耀的一切都是黄金。“当我们看到巨大的利益时,我们也开始识别可能的问题,”他补充道。“一个人想要使用添加剂,因为一切都是反效率。所以,我们的工作中的一大部分是决定使用它的意义。“

路线图到太空

它花了一些时间,以确保AM是可靠的空间。有一个火箭炸毁或因添加剂制造故障而丢失卫星会杀了技术的初期阶段。今天添加剂零件飞,欧空局已经成功地从示威者转移到飞行任务。但道路是没有那么明确。“一开始,我们看到了一个可怕的雨后春笋般的效果:每个人都提出了自己为AM的专家。我们意识到我们需要在欧洲拥有集中的策略,所以我们创建了欧洲路线图增材制造的空间应用。所有欧洲伙伴贡献,以及ESA主持吧。”

该路线图详细说明了添加剂制造安全使用所需的时间表和要求。它还解决了需要解决的主要问题,如尺寸和设计挑战。“我们注意到,考虑到复杂性、残余应力和制造策略,我们没有设计指南,也没有从CAD、CAE到拓扑优化,然后再到制造的端到端工具。”另一个挑战与材料有关:粉末质量控制、供应链和粉末的可重复质量。Ghidini博士说:“我们需要保证我们的制造伙伴有一个统一的标准质量。”“然后我们转向了制造挑战:过程监控、加工策略、表面处理和表面工程等后处理。”

ESA添加剂制造
卫星太阳能电池板部署机伟德亚洲游戏室构的钛3D印刷原型,由麦芽岛空间。©ESA - A. Le Flock

ESA的增材制造工作

另一个关键问题是确认和验证策略,包括机械特性、数值预测、疲劳分析和无损检测(NDI)。Ghidini博士解释说:“一旦我们确定了零件质量的策略,我们就转向了标准化。”“我们利用了ECSS,欧洲空间标准化联盟。这个AM空间标准是我的部门领导的,我们将在今年发布。”

任何行业都可以采用这些标准。对于不太极端的条件,要求可以降低,但该文件提供了一个明确的指南,如何使用和测试AM部件。“有一个标准的程序是有用的,”他补充道。“我们提供了一种理想的方法,可以根据具体需求进行定制,并将有助于进一步扩大AM市场。”

为了通过集中、统一和战略性的方法来实施路线图,ESA创建了两个ESA增材制造基准中心:一个是在考文垂的MTC,英国。另一个在德国德累斯顿的弗劳恩霍夫研究所。Ghidini博士说:“我们解决了所有需要为特定用途解决的基本挑战。”“如果你是一家航天行业的公司,想要实施AM,你可以找到一个拥有所有机器、所有技术和所有材料的中心,来帮助你成熟你的过程或空间应用。”

Ghidini博士还在欧洲创建了一张汉粉生产商的地图。“我们检查了在粉末的再现性,尺寸,形状和组成方面实现的质量。然后,在同一台机器上,具有相同的参数,我们产生了相同的样本,以了解不同的粉末如何为每个不同的材料表达。我们提出了这套采购规范,适用于空间级添加剂制造粉末。“可用的另一种工具是基于已知破裂模式的添加制造部件的Fractography Atlas,例如静态过载,疲劳,腐蚀和应力腐蚀裂纹。“为此,我们系统地拍摄了骨折表面的照片,以便指导工程师,因为我们打开了全新的冶金新篇章。”

在ESA到新世界的添加剂制造

ESA系统地在为空间中定义可能的应用程序,将它们分成三个域。第一个是地球上的添加剂制造。也就是说,在地球上生产航天器和火箭的优化部件。第二种是轨道中的添加剂制造 - 例如,在ISS上。最后,在其他世界(如月球或火星)上的添加剂制造。每个要求都有截然不同,但有时有交叉施肥机会。

利用增材制造的优势,太阳能轨道飞行器太阳传感器支架使用晶格几何重新设计。©ESA - A. Le Flock

首先要考虑的应用程序是结构性应用程序。这就是Ghidini博士的部门工作的地方,在提高机械性能的同时,显著降低购买飞比。他告诉3dpbm:“我们从二级结构开始,这些结构在失败时不会造成灾难性损失,比如支架。”伟德亚洲游戏室“现在我们越来越有信心,也在着手解决主要结构问题。”

为了进一步开发重量优化的晶格结构,迈空的第一步是询问空中客车审查整个火箭系列,Ariane,并识别申请的地方。结果指向每个发射器中的20至25个括号,共成本节省超过30%以上。然后原子能机构看着太空推进。这就是ESA的添加剂制造的地方可以通过大大减少部分计数(在推动者的情况下,从近200到200到一个时)和产生非常复杂的结构,例如具有传统制造过程的通道的喷射器头部可以产生或嵌入式散热器的排气锥,以最佳散热。

2015年,欧空局和空客开始生产第一个3D打印的铂燃伟德亚洲游戏室烧室.铂金是一种用于推进的理想材料,然而,在传统制造中使用是不切实际的,因为物质废物(和相对成本),并且因为锻造和治疗非常困难。AM的另一个关键空间应用是射频(RF)设备。优点包括质量减少(高达50%)并消除了对子组件的需求。“考虑的关键方面是几何,”Ghidini博士补充道。“用于传输数据的天线不应具有尖锐的边缘。随着我可以在一个地上建造天线,并具有理想的几何形状以获得最佳的RF性能。“

说到主结构,欧洲航天局正在与弗劳恩霍夫研究所合作,研究在雅ena x射线天文台的镜子结构中使用AM部件的可能性。雅ena x射线天文台是一个用于太空调查的超级望远镜,将于2031年发射。他说:“我们测试了一种混合快速等离子沉积(RPD)技术,这是一种金属丝电弧增材制造(WAAM)工艺,并将其与减法系统相结合,生产出一米长的零件。”

AM部件现在已经为欧洲航天局的一些任务设定了基线。首批集成附加部件的卫星包括量子通信卫星Sentinel-4和地球同步卫星Electra,后者仅使用电力推进。很快就会有零件飞上木星冰卫星探测器(JUICE)任务将于2022年发射到木星系统(并于2029年抵达)。织女星-E,阿丽亚娜6和阿丽亚娜5火箭也集成了AM部件。2016年安装在阿丽亚娜5号上的第一个部件是万向节十字:这是阿丽亚娜5号第一阶段Vulcain 2低温发动机排气管道的一个结构部件。VEGA E的发展已经成功地点火测试了一个AM推力室,该推力室由液氧-甲烷推进剂提供。

欧洲航天局成功测试了3D打印模拟月球和火星风化层伟德亚洲游戏室。这个重达1.5吨的3D打印结构伟德亚洲游戏室证明了未来月球基地的概念。©ESA-G。波特

伟德亚洲游戏室3D打印技术将留在太空

添加剂制造的空间正在迅速成为现实,最合乎逻辑的下一步是在轨道上使用它。为什么?“看看阿波罗13号” Ghidini博士回答。“如果他们船上有一个3D打印机伟德亚洲游戏室,他们可以打印适配器的CO2过滤器,一切都将是容易得多。他们管理的,当然,但“的长期任务遗体更换部件的问题。在过去的几年中,两种聚合物挤出3D打印机已经在国际空间站上的操作。伟德亚洲游戏室ESA建筑金属3D打印机的空间为好。伟德亚洲游戏室“聚合物是有意义的,因为你在零重力负荷没有,但我们也希望有金属打印功能,” Ghidini博士指出。“金属零件飞船做失败了,我们需要有修复的机会。”这些功能将是任务,如深空网关(现称为月球轨道平台网关或LOP-G),这是空间站绕月球轨道飞行特别重要的,这将是2024年准备 - 所以实际上明天 - and then the crewed mission to Mars.

三维的选择打印从模拟月壤材料制伟德亚洲游戏室成的陶瓷部件。©ESA-G。波特

如果没有3D打印功能,深空任务将是不可想象的。伟德亚洲游戏室他补充说:“这是一项完全可行的技术,尤其是对金属来说,因为不可能把所有的备件都带上,而且宇航员可能需要工具来解决特定和不可预知的情况,在这种情况下,损坏严重到标准工具无法工作。”在国际空间站上,金属3D打印技术也意味伟德亚洲游戏室着可以直接在轨道上制造卫星,而不是发射它们。我们可以生产和部署立方体卫星,而无需从地球上发射它们。甚至扩展已经在轨道上的结构。”

虽然德国航空航天中心目前正在研究用于太空的金属PBF 3D打印机,但金属粉末确实带来了一系列挑战和考虑。伟德亚洲游戏室这就是为什么Ghidini博士的团队还在研究一种基于金属线的3D打印机,该打印机将于明年推出。伟德亚洲游戏室这个想法是在地球上构建样本,然后将打印机发送到太空,打印具有相同参数的相同部件。通过比较各部分,将有可能了解在轨道上可以实现的质量。他总结道:“从长远来看,这真的会改变我们探索太空的方式。”

出地球制造业

“地球外制造”这个项目包含了所有可以在地球外生产的东西:月球上、卫星上或火星上。该项目包括将在火星和月球风化层上建造的基地,将我们带到了太空AM应用的第三个领域:行星制造。Ghidini博士的研究小组两个火星和月球月壤模拟物进行了测试.对于月球基地,他们建立了一个1.5吨演示,并且正在考虑两种可能的方法:使用Sun以烧结风化层粉末或磷酸结合它。磷酸可在火星而不是月球。而这还不是几乎所有的。

人们对月球风化层进行了3D打印陶瓷的研究,但Ghidini博士的实验室还发现,可以伟德亚洲游戏室从其中提取铝、钛、钢和硅,从而释放氧气。“当然,这不是副产品,而是太空中的基本产物,”Ghidini博士说。“想象一下,我们有无限的钛,这是一种非常贵重的金属,可以用来建造建筑;铝,也很高贵;铁;以及用于电子元件生产的硅。这意味着在生产供宇航员呼吸的氧气的同时,拥有生产能力和资源。”

Ghidini博士的团队也在研究提取,目的是作为一种循环生产的形式。“一个行星着陆器在着陆后就耗尽了它的功能,”他解释道。“它变成了地球表面的一块垃圾。我们可以从它中提取所有的金属和聚合物,并将它们重新打印成新的结构,用于任务的新阶段。材料的性质会衰减,”他指出。“但这并不重要,只要我们在设计新结构时考虑到这一点。”

“地球外制造”需要考虑的最后一类材料,或许也是最重要的一类是生物材料。Ghidini博士所在部门的一个团队利用干细胞,在负1g的条件下(倒置)生物打印了皮肤、骨组织和血管系统,以证明该过程也可以在零g的条件下工作。“我们用来将细胞粘在一起的粘合剂是来自藻类的藻酸盐,”他说。他指出,藻酸盐可以从前往火星或直接在火星上生长的植物中产生。宇航员的干细胞还将被用来制造组织,并将它们暴露在与火星之旅相同的高水平辐射中,甚至更长时间,以在不暴露于任何风险的情况下描述它们的反应。这些信息将被用于开发治疗细胞损伤的药物,通过个性化的医学方法,这在地球上也是一个强大的趋势。

生物打印人体组织可以帮助宇航员在前往火星的路上保持健康。欧洲航天局的一个项目已经生产出了第一个生物打印皮肤和骨骼样本。©ESA - SJM摄影

如果宇航员在火星表面的舱外活动(EVA)中受伤,或者治疗飞船上意外火灾造成的烧伤,打印骨头和皮肤也是必要的。由于天体动力学的原因,前往火星的任务不能中止:一旦起飞,宇航员将不得不进行为期两年的旅行,这意味着如果他们受伤,他们将需要能够自行修复。

批量生产:最终的前沿

在不久的将来,欧空局正致力于改进当前的AM流程并实现未来的AM应用。“考虑到可制造性、支撑结构、残余应力和建筑策略等方面的所有限制,我们将继续致力于完全集成的设计和制造工具,从CAD到拓扑优化,并通过AM过程。我们希望通过设计指南和手册来帮助设计师。在材料方面,我们将继续在原料、粉末和供应链控制方面的工作。我们希望在太空中引入金属粉末回收,这是我们进一步提高成本效率所需要解决的问题,”Ghidini博士解释道。

新材料的开发将更加针对am。例如,使铝更便宜,更坚固,以及抗应力腐蚀开裂。或开发硅含量高达40-50%的铝,用于镜子和其他高稳定性结构。am特定的钛合金将在3D打印过程中变得更强。伟德亚洲游戏室铜合金正在被研究用于低温和化学推进应用,使用绿色激光加工它们。金属玻璃复合材料是AM的一个全新领域。“就其稳定性和刚度而言,这些都是非常有前途的太空材料,”Ghidini博士说。“我们想让它们可用于增材制造,并在非常持久的机制中使用,旨在实现‘无限寿命’。”

随着科学与小说之间的界限越来越窄,Ghidini博士的团队现在正在寻找通过4D打印来开发合规机制和执行器。“这是一大步,”他承认。“我们可以3D打伟德亚洲游戏室印由温度激活的形状记忆合金。这将允许我们发射一个折叠结构,它可以很容易地包含在一个小空间里,一旦达到所需的温度,它就会展开。相比之下,为了在太空中部署复杂的结构,今天我们使用昂贵而重的发动机或危险的烟火。这些系统依赖于它们的可靠性,它们可能会发生故障。另一方面,记忆合金总是有用的,因为它们只依赖于物理。”

伟德亚洲游戏室3D打印的立方体卫星,使用掺杂的PEEK塑料原料铺设导电线。©ESA-G。波特

最终区域是大规模生产。由于批量要求非常有限,空间成为AM的第一个采用者。但随着卫星网络成为较大的星座,这变化。“不如汽车,但更接近航空劳动,”Ghidini博士承认。这开辟了一个全新的挑战和机会,让ESA更接近地阵地挑战。“我们需要更先进的AI来实现机器学习的过程监控,以及更高级的NDI功能,所有这些都可以与制造中的网络安全的更严格要求相结合,”他补充道。标准化也将越来越重要。

后处理、表面工程、使用3D打印修复AM和非AM部件、非常复杂部件的加工能力:这些都是ESA的重点领伟德亚洲游戏室域。“我的梦想是让机器在这一过程中评估部件疲劳寿命的影响,并决定是否进行维修或接受该部件。”这是由于在部分评估中引入了一种概率方法。Ghidini博士说:“我们与米兰理工大学合作开发了一款名为ProFACE的软件,我们将使用它来评估附加制造部件的结构。”“它从AM部件的可能缺陷开始,并基于故障的概率评估组件的寿命。这是一种非常新的数字评估方法。”

为了大胆地走到任何地方之前,ESA将向行业寻求更快的机器,智能制造和数字双胞胎能力,建模模拟和自动检查。这是一个故事,整个AM行业可以与之发展,因为它发展帮助人类实现了最令人兴奋的里程碑之一:人类住宅的空间。

*本文最早出现在伟德亚洲游戏室3 dpbm伟德备用网站我是Aerospace Am上的焦点电子书.阅读整期这里

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Davide Sher照片

戴维德·斯皮尔

自2002年以来,Davide作为增材制造行业的技术记者、市场分析师和顾问积累了丰富的经验。他出生于意大利米兰,在美国待了12年,在纽约州立大学USB分校完成了学业。作为一名报道科技和视频游戏行业超过10年的记者,他从2013年开始报道AM行业,最初是一名国际记者,随后是一名市场分析师,专注于增材制造行业和相对垂直市场。2016年,他在伦敦共同创立了3dpbm。伟德亚洲游戏室今天,公司发布领先的新闻和见解网站3D打印媒体网络和Replicatore,以及伟德亚洲官方网站全球最大的增材制造行业公司目录3D打印商业目录。现金伟德平台伟德亚洲游戏室

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