一文了解计划登陆火星的带11个3D打印零件的NASA恒心漫游车

| 3DScienceValley · 2020/10/21

对于爱好者和制造商而言，3D打印扩展了创意的可能性。对于专业工程师来说，3D打印则是下一代航天器设计的关键。NASA计划将其恒心漫游车于2021年2月18日降落在火星上，而值得注意的是，11个3D打印制成的金属零件将随着恒心漫游车开启火星漫步，这将是一个3D打印历史上的里程碑。

NASA金属3D打印。来源：JPL

提升性能与自由度

恒心漫游车的天体生物学任务是寻找火星上过去微观生命的迹象，探索其着陆点Jezero Crater的多样化地质，并展示有助于人类为未来的机器人和人类探索开发更多的关键技术。

3D打印的里程碑

3D打印无需锻造，模具或复杂的组装，而是依靠激光在连续的层中熔化粉末或金属丝以使零件成形。这样做可以使工程师发挥独特的设计并实现特殊的性能，例如减重、更坚固、更耐高温或耐低温。将这些3D打印零件运送到火星是一个巨大的里程碑，这为在美国进行增材制造工作的从业者提供了更多的为太空制造的工业机会。PIXL的外壳是NASA恒心漫游车探测器上的仪器之一，包括几个由3D打印制成的钛合金零件。图框中显示了两件式外壳零件的前半部分。来源：JPL

在11个3D打印零件中，有5个在NASA恒心漫游车的PIXL仪器中。饭盒大小的设备是X射线岩石化学行星仪器的缩写，它将通过在岩石表面发射X射线束进行分析，从而帮助流动站寻找化石微生物生命的迹象。

NASA的JPL团队（JPL由位于南加州帕萨迪纳市的加州理工学院，由NASA管理）设计了恒心漫游车PIXL的两件式钛金属外壳，一个安装框架和两个支撑杆，该支撑杆将外壳固定到手臂的末端，使其成为空心且非常薄。根据3D科学谷的了解这些零件是由Carpenter 增材制造提供的3D打印支持，其质量比常规生产的质量轻三到四倍，3D打印技术使NASA能够实现传统制造所无法实现的低质量。

l 恒心MOXIE仪器中3D打印的热交换器的内部此X射线图像显示了恒心漫游车的MOXIE仪器中3D打印热交换器的内部，此类X射线图像可用于检查零件中的缺陷。来源：JPL

恒心漫游车的其他六个3D打印部件在名为“火星氧气现场资源利用实验”或MOXIE的仪器中。该设备将测试未来可能产生工业量氧气以在火星上产生火箭推进剂的技术，从而帮助宇航员返回地球。

为了产生氧气，MOXIE将火星空气加热到接近1,500华氏度（800摄氏度）。根据3D科学谷的了解该设备内有六个3D打印热交换器-掌型镍合金板，可保护仪器的关键部件免受高温影响。通过传统制造工艺，需要将机械加工的热交换器的两部分焊接在一起，但是通过3D打印可以避免焊接的需求，将热交换器作为结构一体化零件制造出来。

热交换器所用的合金是镍基合金，这类零件被称为超级合金，因为它们甚至在非常高的温度下也能保持强度。超级合金通常存在于喷气发动机或发电涡轮机中，即使在高温下，它们也确实能很好地抵抗腐蚀。

不过3D打印还需要跟其他工艺相结合，根据3D科学谷的了解为了避免3D打印过程中产生削弱材料强度的孔隙或裂纹。在3D打印完成后，需要将零件放在热等静压设备中进行处理，将零件加热到1,832华氏度（1,000摄氏度）以上，并在零件周围均匀施加强压力。最后，工程师需要进行大量的机械测试，以检查换热器的微观结构，并确保它们适用于太空飞行。

恒心漫游者的天体生物学任务将寻找古老微生物生命的迹象。它还将表征地球的气候和地质，收集样品以供将来返回地球，并为人类探索红色星球铺平道路。恒心漫游者任务是一项较大计划的一部分，该计划包括对月球的访问，以此为人类对红色星球的探索做准备。

到2024年，美国航天局将负责将宇航员送回月球，到2028年，美国宇航局将通过NASA的Artemis月球探测计划在月球上及其周围建立持久的人类存在。

3D科学谷Review

从3D打印火箭到3D打印漫游车，NASA在将3D打印应用到航天领域正处在厚积薄发的加速跑阶段。根据3D科学谷的市场观察，NASA在航天领域所开发的核心关键技术包括：铜合金的GRCop-84的基于粉末床的选区激光熔化（L-PBF）金属3D打印技术，双金属腔室的工艺开发，通过DED定向能量沉积增材制造技术来制造带冷却流道的火箭推力室喷管，用于火箭推力室的喷注器和其他组件的新型增材制造材料，即NASA HR-1。

在推力室的增材制造方面，根据3D科学谷的了解，目前NASA在2K-lbf推力的推力室上完成了双金属开发，并正在积极地应用到7K-lbf，40K-lbf的推力室制造。正在取得重大进展，并计划在2020年和2021年进行更多的测试计划，以及配套的硬件开发。NASA已开发的仿真模型可建议制造策略以控制制造过程中的变形。