【導(dǎo)讀】目前，所有航天器都經(jīng)過(guò)研制、測(cè)試和組裝，然后由火箭運(yùn)送到各自的任務(wù)地點(diǎn)。每個(gè)部件必須承受火箭發(fā)射的高負(fù)荷，而實(shí)際任務(wù)的載荷通常相對(duì)較低。由于系統(tǒng)重量和體積大以及火箭飛行所需的復(fù)雜測(cè)試程序，這些超大部件會(huì)導(dǎo)致高昂的太空運(yùn)輸成本。為了降低這些成本，可以使用增材制造方法直接在軌道上制造和使用航天器部件。
基于這一想法，慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的八名學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)決定設(shè)計(jì)一種 3D 打印技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)，可以直接在太空中為太陽(yáng)能電池板、天線或任何其他裝置構(gòu)建結(jié)構(gòu)。他們命名為"AIMIS-FYT – 太空增材制造 AIMIS "，他們決定采用一種印刷方法，用紫外光擠出和固化光反應(yīng)樹(shù)脂。
應(yīng)用程序
設(shè)備基本上包括一個(gè)主要結(jié)構(gòu)，有一個(gè)笛卡爾3D打印運(yùn)動(dòng)安裝在里面。打印機(jī)有兩個(gè)平移軸和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。因此，打印機(jī)可以在一個(gè)固定平面上移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。這使系統(tǒng)能夠創(chuàng)建自由格式結(jié)構(gòu)。打印頭是團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)的主力，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的擠出機(jī)組成，在零重力下分配粘性樹(shù)脂。在擠出過(guò)程中，樹(shù)脂同時(shí)被噴嘴后面的紫外光固化。
AIMIS-FYT 解釋了它是如何工作的："在我們的工藝中，我們使用所謂的"光聚合物的直接機(jī)器人擠出"。它基本上由擠出機(jī)組成，通過(guò)擠出機(jī)可以分配粘性光聚合物。這允許樹(shù)脂通過(guò)噴嘴噴射，然后通過(guò)紫外線固化。通過(guò)外部移動(dòng)噴嘴，可以生成三維結(jié)構(gòu)。在我們的案例中，這不是像傳統(tǒng) 3D打印機(jī)那樣一層一層地完成，而是直接通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)與樹(shù)脂的體積拉伸相結(jié)合。
解決挑戰(zhàn)
與傳統(tǒng)的 FDM 打印機(jī)不同，AIMIS-FYT 使用的打印工藝采用 UV 固化樹(shù)脂。這種樹(shù)脂需要以可控和非常精確的方式分配，以便產(chǎn)生 3D 結(jié)構(gòu)。為了滿足這些要求，使用帶精確步進(jìn)電機(jī)的擠出機(jī)。此外，整個(gè)設(shè)置需要放入一個(gè)小隔間，并可用于團(tuán)隊(duì)的軟件。
為了充分利用步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，團(tuán)隊(duì)決定使用Trinamic的TMCM-1070模塊。"經(jīng)過(guò)短暫的研究，我們碰到了三元驅(qū)動(dòng)模塊TMCM-1070。此驅(qū)動(dòng)程序模塊易于使用，通過(guò)步進(jìn)和方向接口控制，占用空間非常小，是一個(gè)可靠的解決方案。此外，該模塊位于一個(gè)盒子里，很容易符合我們?cè)诹?G飛機(jī)上的實(shí)驗(yàn)設(shè)置要求，"慕尼黑的團(tuán)隊(duì)說(shuō)。
第一個(gè)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)基于四個(gè)基本操作，這些操作已確定為微重力的印刷結(jié)構(gòu)（如架結(jié)構(gòu)）。它們根據(jù)不斷增加的復(fù)雜性進(jìn)行排序，如下：
● 直桿
● 帶起點(diǎn)/停止點(diǎn)的直桿
● 自由形桿
● 桿之間的連接
通過(guò)組合這些基本操作，將來(lái)應(yīng)該能夠直接在太空中創(chuàng)建任何自定義結(jié)構(gòu)元素。
零重力測(cè)試
2019年11月，AIMIS-FYT團(tuán)隊(duì)入選 FlyYourThesis2020！歐洲航天局（ESA）的一項(xiàng)計(jì)劃，允許大學(xué)生在幾次拋物線飛行期間在微重力條件下進(jìn)行科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)2020年11月在法國(guó)波爾多的飛行過(guò)程中，來(lái)自慕尼黑的團(tuán)隊(duì)共有90個(gè)拋物線測(cè)試他們的技術(shù)。在每個(gè)拋物線期間，它們將和打印機(jī)一起在零重力下漂浮約 20 秒。
在三個(gè)飛行日，總共將飛行90個(gè)拋物線，因此，我們可以進(jìn)行總共90次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為上述四個(gè)基本操作，在每個(gè)基本函數(shù)中，我們測(cè)試不同的參數(shù)，以確定它們對(duì)印刷過(guò)程的影響。因此，我們?yōu)閷?shí)驗(yàn)配備了各種傳感器，如熱像儀、氣壓傳感器、溫度傳感器等。目標(biāo)是打印各種尺寸和形狀的90根棒，然后進(jìn)行詳細(xì)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果將進(jìn)一步優(yōu)化印刷工藝，證明我們的增材制造方法在微重力條件下有效。將來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)一步改進(jìn)，甚至可能在太空中進(jìn)行測(cè)試。這項(xiàng)技術(shù)為大幅降低衛(wèi)星和其他空間飛行任務(wù)的成本提供了機(jī)會(huì)。
【AIMIS-FYT團(tuán)隊(duì): Julius Frick, Christoph Boehrer, Manuel Kullmann, Michael Kringer, Moritz Frey, Fabian Schill, Torben Schaefer, Maximilian Strasser】
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