美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)和NASA的研究人员于近日展示双方合作3D打印的月球车车轮原型，显示了该技术在制造对太空探索至关重要的专用部件方面的潜力。

3D打印月球车车轮

当你考虑向月球发射任务时，每一克在发射当天都很重要。因此，当你到达就地资源利用的时候，依靠土地生活是有意义的。例如，如果你能驾驶一辆没有轮子的月球车，并在到达月球时用月球风化层3D打印它们，那会怎么样?

研究人员使用3D打印机为轮子构建了相同的设计，该轮子将成为即将推出的 NASA VIPER 漫游车的一部分。它是通过增材制造（3D打印的另一种说法）来完成的，熔化金属粉末并将大量连续的薄层材料铺设并粘合成设计的形状。NASA打算在2024年部署这款探测车，用于绘制月球南极的冰和其他资源地图。

具体过程

该原型车轮由镍基合金制成，宽度约203mm，直径为508mm。使用3D打印，该团队实现了复杂的轮圈设计，没有额外的成本或制造挑战。相比之下，实际将在月球上工作的VIPER车轮需要多个制造工艺和组装步骤，VIPER的50片轮辋由360个铆接接头固定在一起。为了满足任务的严格要求，制造过程需要复杂且耗时的机械加工。

如果3D打印的车轮与传统制造的车轮的坚固性相匹配，未来的探测器车轮可能会选择这种单打印轮圈，该轮圈在ORNL只花了40个小时就生产出来。3D打印工艺引入了倾斜侧壁、圆顶形状和波浪形胎面等功能，从而增强了车轮的刚度。

美国宇航局机械设计工程师兼休斯敦美国宇航局约翰逊航天中心增材制造实验室经理理查德·哈根表示，“许多车轮特征的加入只是为了强调增材制造的用途，它可以轻松实现传统工具甚至传统加工难以实现的设计功能。”尽管3D打印的轮子原型并非注定要登上月球，但其符合NASA VIPER轮子的设计标准。进一步的测试将评估这种设计及其制造方法，以用于未来的太空任务。

增材制造的优势

增材制造可以减少能源消耗、材料浪费和交货时间，还支持复杂的设计并允许定制材料属性。美国能源部的制造示范设施十多年来一直引领此类技术，并于2022年使用3D打印机开发了车轮原型。这台打印机的大小足以容纳一个人，其配备两台同步激光器和一个旋转的构建板，以选择性地将金属粉末熔化成所需的结构。

“在相同的激光功率下，这极大提高了生产率”，负责新型激光粉末床熔融系统开发的Peter Wang表示，并补充说沉积速度提高了50%。“我们只是触及了该技术的皮毛，我真的认为这将是激光粉末床打印的未来，尤其是大规模和批量生产。”王和项目团队成员最近发表了一项研究，分析了电动机等打印组件技术的可扩展性。

尽管为车轮提供了更复杂的辐条结构和锁定功能，但3D打印简化了车轮设计并降低了成本，并使最终组装制造变得更加容易。Wang强调，打印机的独特性与团队在自动化和机器控制方面的专业知识相匹配。研究人员利用橡树岭国家实验室开发的软件将车轮的设计进行了分割——两个激光器可均匀分配工作——从而实现高效生产。

具有的局限性

该打印机仅适用于特定材料，因此也有局限性。当打印厚度相似时，3D打印的车轮比VIPER的铝制车轮重50%。NASA打算在NASA约翰逊航天中心或专门的测试设施的流动站上测试这种3D打印车轮的性能，评估各种性能指标。

作为阿耳忒弥斯计划的一部分，在月球上建立的载人研究站将需要地外制造能力。“能够在太空中制造维修零件非常重要，因为你无法获得足够的备件，用于打印的粉末、颗粒或长丝更容易包装，并且具有更大的灵活性“，哈根表示。

在月球上使用该系统的一个挑战是，这台3D打印机很大，类似于一个足以容纳一个人坐在里面的柜子。这个大型机器必须发射并降落在月球上。但一旦到达那里，它就可以建造各种物品，因为月球风化层内将有资源来制造金属。

虽然需要克服很多障碍，但创造性思维（和建设）对于使月球基地成为现实是必要的。3D打印机的尺寸意味着它可以创建大型物体。

该项目是美国宇航局和美国能源部合作的项目，该项目的工作人员表示，原型轮的演示展示了机构间合作的价值。

“与 NASA 合作的项目确实推动了这项技术的发展，”橡树岭国家实验室火星车轮项目的负责人布莱恩·吉布森 (Brian Gibson) 表示，他称其为一个里程碑。“将功能与发展需求联系起来真是太棒了，团队很高兴能够制作具有太空探索应用的原型组件。”

这个里程碑式的项目不仅展示了增材制造在太空探索中的潜力，也为我们揭示了一个更大的未来图景：如果3D打印技术能够成功地应用于月球或火星探测器的生产，那么我们将能够在太空中直接制造出我们需要的任何零件，这将极大地提高我们在太空中的生存能力和生产效率。

在这个科技日新月异的时代，我们有理由相信，增材制造将为我们的太空探索开辟一条全新的道路，让我们离星辰大海更近一步。

文章来源： 信仰猎手，3D打印技术参考，熙翰认知