JPL增材制造研究应用亮点：航天器上的3D打印织物、电磁屏蔽器和增材制造天线

发布时间：2023-04-14 10:45:51来源：南极熊3D打印浏览量：

2023年4月13日获悉，JPL机构公布了2022年度取得的重要技术突破，这也是新主任Laurie Leshin（2022年5月16日正式上任，接替2021年8月退休的Michael Watkins）和新的首席技术专家Tom Cwik博士的第一次亮相。

美国宇航局喷气推进实验室的高级研究科学家（SRS）和负责人、全球增材制造行业的知名人士道格拉斯-霍夫曼指出，JPL增材制造的研究亮点主要体现在三个项目上：

第一个项目是用于航天器天线的3D打印铝反射器，其具有拓扑优化的背衬结构以实现热稳定性。这是由Paul Goldsmith领导的，大部分的打印工作由技术灌输组的Ryan Watkins完成。

第二个项目是定向能量沉积（DED）高性能磁屏蔽的开发，这种技术允许用磁性材料（如 mumetal）和用于磁性应用的功能梯度多金属合金生产复杂的形状，这项工作是由Samad Firdosy领导的。

最后一个项目是霍夫曼与加州理工学院在《自然》杂志上发表了一项关于干扰3D打印织物的工作。这项工作在Tent Bordeenithikasem的领导下，在与加州理工学院的新合作中获得了新的生命，即利用打印织物制造形状改变的天线。

霍夫曼说："增材制造在美国宇航局的航天器和漫游车上的应用仍有许值得探索的地方。除了火星车上的打印部件外，JPL在增材制造方面取得的最大成就之一是建立了铝和钛部件的LPBF工艺，使得打印部件能够满足飞行要求。这将允许我们能够为航天器和漫游车打印零件，也能帮助美国宇航局其他中心的工作。"

航天器上的3D打印织物

JPL已经开发出一种新的3D打印织物，在太空中部署后可以硬化变成所需的形状。这些形状变形材料的灵感来自于链式装甲，通过打印互锁的薄片单元来制造，这些单元可以各自独立地移动一小段距离，允许定制配置，非常适合特定用途。然后，这些灵活的薄片可以被卷起或折叠成非常小的尺寸，以便装入火箭整流罩进行发射。创建一个可变形的结构需要对最终的刚性结构有一个大致但未必精准的了解，以及设计适当的互锁单元。

片材可以在其柔性状态下被塑形，并且可以通过改变压力来调整刚度，以达到所需的形状。然后，当相邻的片材卡在一起时，就会对它们施加力，使其互锁成一个最终的刚性结构。这些结构性织物在美国宇航局的任务和消费产品中都有许多潜在的应用。它们可以被用作可部署的辐射器、天线、太阳能电池板、辐射防护毯或微流星体防护罩。它们还可以作为暴露在长期微重力环境下的宇航员的身体塑形外骨骼。

在地球上，这种结构性织物可用于医疗保健领域，作为自适应石膏，在受伤愈合时调整其硬度，或作为消防员或士兵的吸收冲击的衣服。它们具有可折叠和可收放的特点，一旦进入太空就会展开成更大的刚性形状，这将导致形成更大的、可定制的部件，以获得最佳性能。

增材制造电磁屏蔽装置

使用送粉固结技术制造的多材料磁屏蔽装置极大改善了屏蔽性能。随着美国宇航局的机器人航天器探测来自恒星、行星和其他目标的微弱信号的能力越来越强，它们也对来自诸如反应轮、电动马达和冷却系统等机载机械的干扰也越来越敏感。

例如，任何使用电动马达的东西，对敏感的磁力计来说都是一个问题。在传统的设计中，电子 "噪音 "设备被金属外壳所屏蔽。使这些设计复杂化的是需要创造复杂的形状，以最大限度地提高电磁屏蔽的有效性，而这些复杂的设计可能非常难以制造。JPL所使用的新技术正在充分利用增材制造的优势，能够比以前更快、更容易地创造出更好的磁屏蔽装置。

JPL所使用是一种被称为送粉激光沉积的工艺，它是通过惰性气体将金属粉尘从喷嘴中导出，随后进入一个高功率激光器所发射的高能光束中完成熔化和沉积。由此产生的熔化的金属块与新出现的部件相融合，在计算机控制下逐层建立起来。通过改变粉末的成分，不同的金属合金可以被沉积在它们最有效的地方。这使我们能够创造出用任何其他方法都无法制造的奇特部件，而且所需的时间远远少于目前的工艺。其结果是以更小的质量和更低的成本实现更有效的屏蔽性能，从而制备出性能更优的航天器，且比传统方法生产的任何同类部件都要更小更轻。

增材制造天线

在2022年的另一项JPL技术亮点中，他们采用增材制造技术开发了一种具有高性能、热稳定性的天线，可应用到天文领域和遥感领域。为航天器和高空气球设计和制造天线是很困难的。就其本质而言，天线是笨重的，建造它们以承受飞行的压力并保持尺寸的稳定性一直是一个挑战。此外，用于各种地球观测、行星科学和天文学应用的亚毫米级天线也可能是脆弱的。由于它们在微小的波长上工作，它们必须没有最微小的缺陷才能正常工作，并能在广泛的温度范围内工作。

传统上，这些天线的制造是使用玻璃形式来创建天线的表面，在其上沉积一层薄的反射材料，如镍。然后将一个由金属蜂窝或条带制成的支撑结构粘在背面。这个过程非常耗时和严格，而且容易出现制造错误。由此产生的天线在极端温度下工作时也有潜在的缺点，因为材料的膨胀和收缩速度不同，会给天线带来应力，并可能出现不均匀的变形。

JPL的工程师们正在试验一种新的工艺，这种工艺涉及到增材制造。该工艺不仅成本低，可以很容易地适应不同的应用，并且可以直接完成制造。这种新方法使用单一的材料来创建支撑结构和反射表面，从而大大简化了制造过程和单一的膨胀系数，使得整个装置对温度变化的反应是一致的。这导致天线上的应力更少，变形更小，在使用过程中能够提供极优的信号。

通过使用铝粉打印天线，可以在轻量化的基础上创造出更复杂的天线设计，从而获得使用传统制造技术无法制造的复杂优化形状。通过使用复杂的设计软件，天线的支撑组件可以根据需要做得更薄或更厚，这有助于进一步促进更高性能、更高效设计的实现。

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