在计划对国际空间站的使命时,美国宇航局的传统方法类似于人们如何为长期露营行程做好准备:把所有东西都带上,因为我们不能回家。

为了支持航天飞行器,美国宇航局马歇尔太空飞行中心的材料工程师Tracie Prater表示,美国宇航局每年向ISS发出约7,000英镑的备件。

普拉特说:“国际空间站上有29000磅的硬件备件/替换单元,地面上还有39000磅准备在需要时飞行。yabovip16.com科技简报。

当您从地球距离地球200英里时,您希望确保您拥有所有必要的供应,从螺栓到电缆安装座。然而,美国宇航局的“比抱歉更安全”方法意味着从未使用过的绝大多数存储在ISS上的零件。

虽然推出成本将减少更多的火箭制造商和发射频率,但普拉特表示,派遣一磅货物到当前的货物到目前的费用约为10,000美元。

为了减轻负载并降低成本,美国宇航局正在使用ISS作为测试台来展示制造空间中必要部件的方法:3D打印。

迄今为止,美国宇航局的国际空间站的添加剂制造努力主要集中在聚合物或塑料的3D印刷上。熔丝丝制造(FFF)工艺,许多台式打印机使用的技术,在微匍匐功能中运行良好,在营业的环境中运行是安全的,并满足国际空间站的电力,体积和质量约束。

在ISS上使用的一些塑料也是可回收的 - 考虑效率和成本节省时的重要特征。有一天,用于包装货物的泡沫和薄膜可能成为制造的原料。

随着在国际空间站的成功3D印刷努力的示范中,美国宇航局希望最终将添加剂制造方法应用于MARS勘探或持续人工业务的长期任务 - 货物再补给的情景不如易于使用。

3D在ISS(到目前为止)

美国宇航局空间内制造业在NASA Marshall开始的项目,导致技术和流程的发展,以便在远离地球的球队探索月球,火星和其他栖息地,以实现推动的制造能力。

迄今为止,ISS的空间内制造示范包括三个举措:

  • 3D打印在零重力技术演示任务

通过小型企业创新研究(SBIR),通过小型企业创新研究(SBIR),通过小型企业创新研究(SBIR),从2014 - 2016年使用了两轮运营的3D打印机。该项目研究了一致的微匍匐对普通聚合物材料熔融沉积添加剂制造的影响。

该设备的大小类似于你可能在家庭、实验室或学校见过的用于塑料的桌面3D打印机。该系统的喷嘴通过加热挤出机将连续的塑料丝送入托盘,一层一层地制造出三维物体。“这有点像热胶枪,”普拉特说。

从轨道返回的标本与材料建模努力的分析表明,微匍匐性没有导致对聚合物部件的工程显着影响,铺平了增加这种技术在太空中使用的方式。其首款印刷部件之一:一个扳手!

美国宇航局宇航员巴里·威尔默在国际空间站(ISS)拿着一个由3D打印机制成的棘轮扳手
美国宇航局宇航员巴里(BUTCH)Wilmore在2014年创造了一款棘轮扳手,使用从地面传输的设计文件,3D打印机。(图片信用:美国宇航局)
  • 添加剂制造设施(AMF)

这个来自太空制造的商业设备是一个用于聚合物的多材料3D打印机。AMF采用高密度聚乙烯(HDPE)、ULTEM 9085(其他两种聚合物的高强度混合)和ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯,这是3D打印最常见的塑料材料,也是零G实验中原始3D打印的重点)制造。

加法制造设施具有6 x 6 x 6英寸的构建信封,因此可以构建长度,长度,宽度和高度6英寸的零件。NASA使用AMF来研究材料并在ISS上产生功能部件,包括天线部件,适配器在车站的氧气发电系统上的空气出口中保持探针,以及连接两个的部分球形,用于在空间站研究的自由飞行机器人。

印刷对象在国际空间站上的添加剂制造工厂(AMF)前浮动
印刷产品在ISS上的AMF前面浮动。(图片信用:美国宇航局)
  • 在太空中回收

该装置来自华盛顿州西雅图的Tethers Unlimited航空航天公司,于2019年飞往国际空间站。本设计用于打印ULTEM 9085零件,然后可回收成进一步打印的原料。重复使用的能力使NASA能够在长时间的任务中“关闭制造回路”,这样打印机的原料就不必发射了。普拉特说:“我们希望任务规划者能考虑一切,甚至包括作为制造潜在原料的‘垃圾’材料。yabovip16.com

在2019年,在太空中也飞了一个聚合物再循环,能够将塑料材料如聚乙烯加工成长丝以用于3D打印。虽然他们的结果紧随其后,ISS上的其他制造设施不是空间制造项目的一部分。几个有效载荷,包括ZBLAN纤维设施《太空制造》和BioPlinting设施从格林维尔,总部内的公司技术已经飞过国际股票国家实验室/卡西斯。

美国宇航局和金属3D打印

由于太空任务所需的许多部件都是铝、钛和钢,美国宇航局也正在与一些小型企业合作,为国际空间站开发金属打印能力。

在地球上,航空航天的优选金属3D打印方法是选择性激光熔化(SLM)。在该过程中,金属粉末从料斗进料到构建板上。每个沉积的层围绕人发的厚度。然后激光选择性地熔化粉末并将其熔化在一起。然而,这些系统非常大并且具有高功率要求。另外,粉末是可燃的,呼吸危害,并且在微匍匐环境中难以管理/控制。

来自Techshot的FabLab原型硬件
来自TechShot的“Fablab”的原型硬件。(图片信用:TechShot)

这些限制促使NASA考虑在SLM之外的其他适应空间的过程:使用力和振动连接相邻金属箔层的超声波技术,使用焊接工艺沉积和熔合随后的金属丝层的电线+电弧技术,以及结合金属沉积类型的方法,使用长丝或粘贴在聚合物粘合剂中的金属颗粒。

考虑金属制造的当前选项包括哥伦布等公司,基于OH的超技术机械和Fabrisonic等公司的超声添加剂制造;电线+弧形添加剂制造在空间中;和从TechShot的绑定金属沉积类型过程。仍在研究阶段,公司正在开发这些系统的地面原型。

来自Techshot的更大的项目称为多国制造实验室(“短暂的”,用于从TechShot的金属添加剂制造工艺,炉子和端盖,用于打印部分的后处理,以及监视部分的过程检查能力它正在建造。Fablab旨在占据ISS的完整快递架。

美国宇航局和电子印刷

许多故障或需要在ISS上替换的组件是电子的。目前,美国宇航局的印刷电子团队正在为各种应用制造传感器,例如CO2,根据Prater,首先在地面上在地面上进行湿度感应和船员健康监测,并在接下来的几年内进行3D打印。

美国宇航局的3D印刷柔性传感器平台具有高速BLE通信和印刷热敏电阻和呼吸传感器。
该3D印刷的柔性传感器平台具有高速BLE通信和印刷热敏电阻和呼吸传感器。

一个带有Tracie Prater的问答:3D印刷和美国宇航局

如果美国国家航空航天局希望在2024年在月球上和2025年在火星上靴子,那么宇航员只能为野营旅行包装。在与下面的Tracie Prater的扩展面试中,一台材料工程师和材料和流程在NASA Marshall的太空制造项目中导致NASA的领先地位,解释了如何“只是推动打印”方法可以有一天能够支持长期任务。

美国宇航局马歇尔太空飞行中心的特蕾西·普拉特的照片
Tracie Prater,马歇尔太空飞行中心的材料工程师

yabovip16.com:空间中最常见的3D印刷部件是什么?

Tracie多嘴的人:因为我们最初的重点是评估在空间印刷的材料并将其与地面制造的材料进行比较,所以印刷迄今为止的大多数样品是材料测试券。这些是试样,我们可以拆开,压缩或弯曲以导出特征材料性质。

由于目前我们仅限于印刷的聚合物,我们主要专注于生产不具有承载应用的部件。在与空间中的制造合作中,我们在梁模块中打印了一种传感器盖,横梁模块中的辐射监视器,牵引挂钩,将两颗被称为球体的飞行卫星连接在ISS营业的环境中,以及夹具以保持气流监视器,其中。这些用作如何使用3D打印如何满足某些任务需求的示例。

yabovip16.com:您如何确保3D印刷零件符合NASA要求?

Tracie多嘴的人:前进的一个主要挑战是验证空间中印刷的部件是否满足要求。目前我们仅限于零件的视觉检查(通过摄像机或由工作人员收集的图像中的摄像机)。我们根本没有在地球上做的技能或检查能力,如CT扫描,X射线和机械测试设施。

你最终想要空间制造是一个“出生认证”的部分 - 你的意思是你正在监视构建过程,并真正知道过程信号(例如温度和表面粗糙度)对应的过程可接受的部分。正在开发高级信号处理技术和机器学习,为地面系统中的添加剂制造提供了过程监控和缺陷检测能力。总有一天我们将在我们的平台上具有类似的系统,用于长期任务。

yabovip16.com:是否有后流程检查选择?

Tracie多嘴的人:我们正在探索的过程检查中也有一些选择。无限和IERU正在开发结构光扫描系统,作为多国制造实验室活动的一部分。结构化光扫描缝合在一起的图像以创建成品部分的三维渲染,然后将其与零件文件/ CAD模型进行比较。通过这种技术,您可以了解您不满足该部件的几何形状或公差要求的位置。

yabovip16.com:3D打印如何支持长期任务?

Tracie多嘴的人:我们正在采用多管化方法来实现和调整制造技术,以便它可以进入超越ISS的长期任务。第一技术障碍正在展示金属制造技术,并广泛地表征用微匍匐技术中的技术生产的材料 - 表征工作将使空间系统设计人员了解ISM系统的能力,以便他们可以设计(或重新设计)它们的组件为其支持勘探任务的需求生产备件。

It’s important to say that we are never asking designers to make their parts less reliable as reliability is always of utmost importance on a human long duration mission, but we do need to maintain consistent engagement with them to ensure that parts in habitat systems can be additively manufactured or redesigned for additive manufacturing if needed in a mission scenario.

目前我们正在编制一个非常大的零件数据库,与小企业地理学的合作关系,这由可以在太空任务中制造的部件组成。最终,数字数据库将与金属制造系统接口,使宇航员能够“只是推动打印”来制造零件。我们还需要强大的检查或过程监控能力和严格的过程控制,以确保优化系统参数并对应于将产生最佳质量材料的产品。

yabovip16.com:您如何预想将来推进3D打印?

Tracie多嘴的人:最终,我设想了一个“一站式商店”制造系统,甚至可以部署的制造能力套件门户网关或者在月球表面的栖息地。该系统将拥有一个广泛的零件库,可以打印,自动检测能力,金属制造,聚合物制造和后处理(如热处理和立铣刀)。这个系统中的技术将是我们在国际空间站上成功审查过的技术。国际空间站现在是并且将继续是我们探索的试验台——它是如此独特、不可思议的平台,也是唯一一个可以和宇航员一起在扩展微重力环境中测试系统的地方。

yabovip16.com:为什么3D打印对于太空任务如此重要和有价值?

Tracie多嘴的人:对我来说,3D打印是关于减少物流的影响,你必须采取的质量。如果我们想让太空飞行可持续和降低长期任务的成本,我们无法从地球上发射一切。我们必须能够使用我们周围的材料。

我们项目的座右铭是“制造它。不要接受它。“我倾向于将人类空间视为一个漫长的野营旅行。If I’m close to home, I can easily get whatever I need when I need it, but if I’m far away (Mars is a 6-9-month one-way journey), I can’t pack everything I would ever need.

也许3D打印用于太空任务最令人兴奋的部分是,你不一定知道你可能需要打印什么。制造使您能够创建自己的解决方案。对我来说,这是加强船员安全。毕竟,如果史考特什么都做不成,星际迷航企业号还能在哪里呢?

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