Исследователи напечатали на 3D-принтере прототип колеса лунного модуля

Исследователи из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США в сотрудничестве с НАСА выводят аддитивное производство на новый уровень, печатая на 3D-принтере колесо того же типа, которое НАСА использует для своего роботизированного лунохода, демонстрируя технологию изготовления необходимых специализированных деталей. для освоения космоса.

Колесо, изготовленное аддитивным способом, смоделировано по образцу легких колес, установленных на марсоходе Volatiles Investigating Polar Exploration Rover или VIPER, мобильном роботе, которого НАСА планирует отправить в 2024 году для картирования льда и других потенциальных ресурсов на южном полюсе Луны. Цель миссии — помочь определить происхождение и распределение лунной воды и возможно ли собрать с лунной поверхности достаточно воды, чтобы прокормить живущих там людей.

Хотя прототип колеса, напечатанный на производственном демонстрационном комплексе Министерства энергетики (MDF) в ORNL, на самом деле не будет использоваться в миссии НАСА на Луну, он был создан с учетом тех же проектных характеристик, что и колеса, изготовленные для VIPER НАСА. Планируются дополнительные испытания для проверки конструкции и метода производства, прежде чем эта технология будет использоваться для будущих лунных или марсианских космических кораблей или рассматриваться для других космических применений, таких как крупные структурные компоненты.

Аддитивное производство может сократить потребление энергии, отходы материалов и время производства, одновременно обеспечивая усложнение конструкции и настройку свойств материала. MDF находится в авангарде этих усилий, более десяти лет разрабатывая технологии для широкого спектра применений в экологически чистой энергетике, транспорте и промышленности. Осенью 2022 года исследователи MDF напечатали прототип колеса вездехода в ORNL. Специализированный 3D-принтер использовал два координирующих лазера и вращающуюся рабочую пластину для выборочного плавления металлического порошка с приданием заданной формы.

Типичные системы с металлическим порошковым слоем работают поэтапно: в машине размером с шкаф слой порошка собирается на неподвижной пластине. Затем лазер избирательно плавит слой, после чего пластина слегка опускается, и процесс повторяется. Принтер, использованный в прототипе колеса вездехода, достаточно велик, чтобы его мог вставить человек, и уникален своей способностью печатать большие объекты, при этом все этапы выполняются одновременно и непрерывно, сказал Питер Ванг, который возглавляет разработку в MDF новых систем лазерного термоплавления. .

«Это значительно увеличивает производительность при той же мощности лазера», — сказал он, добавив, что осаждение происходит на 50% быстрее. «Мы только прикасаемся к тому, на что способна система. Я действительно верю, что это будет будущее лазерной порошковой печати, особенно в больших масштабах и при массовом производстве». изучать здесьи проанализировать масштабируемость технологии печати компонентов, таких как электродвигатели.

Хотя машина уникальна, ключом к успеху проекта стал опыт исследователей в автоматизации процессов и управлении машиной. Они использовали программное обеспечение, разработанное в ORNL, чтобы «разрезать» конструкцию колеса на вертикальные слои, а затем сбалансировать рабочую нагрузку между двумя лазерами для равномерной печати, добившись высокой производительности, используя преимущества вычислительной технологии, недавно поданной на патентную защиту.

Колесо модели, одна из первых частей, созданных системой, иллюстрирует ценность межведомственного сотрудничества. «Проект с НАСА действительно продвинул технологию вперед», — сказал ORNL Брайан Гибсон, исследователь, возглавлявший проект колеса вездехода, назвав его важной вехой. «Было интересно связать эти возможности с развивающимися потребностями, и команда была рада создать модульный компонент для приложений для исследования космоса».

Прототип колеса, изготовленный из сплава на основе никеля, имеет ширину около 8 дюймов и диаметр 20 дюймов, что намного больше, чем типичные детали, напечатанные с использованием систем слоев металлического порошка. Для этого требуется возможность печатать небольшие геометрические элементы, распределенные по большой рабочей площади. По словам Гибсона, аддитивное производство позволило усовершенствовать дизайн кромок без дополнительных затрат или сложностей в производстве.

Для сравнения, четыре колеса VIPER, которые будут двигаться по лунной пыли в следующем году, потребуют нескольких производственных процессов и этапов сборки. Обод колеса VIPER, состоящий из 50 частей, имеет 360 клеевых соединений. Производственный процесс требовал сложного и трудоемкого изготовления, чтобы соответствовать строгим требованиям миссии.

Если испытания НАСА подтвердят, что прототип, напечатанный на 3D-принтере, так же прочен, как и традиционные колеса, будущие космические корабли смогут вместо этого использовать один напечатанный обод колеса, на изготовление которого у ORNL ушло 40 часов. В рамках проекта инженеры ORNL и НАСА также исследовали тонкие конструктивные особенности печати, такие как наклонные боковые стенки, куполообразная форма и волнистый протектор для повышения жесткости колеса. Эти характеристики сложно включить в существующую конструкцию колес VIPER с использованием традиционных методов производства. Несмотря на то, что 3D-печать обеспечивает более сложные схемы и функции блокировки колес, она упростила и снизила стоимость проектирования колес, а также облегчила окончательную сборку.

«Многие из этих функций колеса были созданы только для того, чтобы подчеркнуть, что вы можете сделать с помощью аддитивного производства», — сказал Ричард Хаген, инженер-конструктор НАСА и директор Лаборатории аддитивного производства в Космическом центре НАСА имени Джонсона в Хьюстоне. «Это позволяет вам легко реализовывать конструктивные особенности, которые было бы сложно реализовать с помощью традиционных инструментов или даже детали, обработанной традиционным способом». По словам Хагена, способность ORNL печатать большие объекты демонстрирует потенциал технологии аддитивного производства для производства колес роверов гораздо большего размера как для лунных, так и для марсианских миссий.

Проблема заключается в том, что специализированный принтер изготавливается только из определенных материалов – в данном случае из сплава на основе никеля – поэтому напечатанное на 3D-принтере колесо на 50% тяжелее, чем алюминиевое колесо VIPER, хотя печатается с одинаковой толщиной.

НАСА планирует проверить работу 3D-печатного колеса на марсоходе либо на каменном поле в Космическом центре имени Джонсона НАСА, либо в гигантской «песочнице» из смоделированных лунных камней и почвы на испытательном полигоне, работающем по контракту. Оценщики оценят маневренность колеса, сопротивление качению, боковое скольжение, подъем по склону и другие показатели производительности.

По словам Хагена, аддитивное производство дает преимущество быстрого обновления конструкции в ответ на испытания. Он также может включать в себя более сложные элементы, например подвеску, без добавления недостатков.

По словам Хагена, пилотируемым исследовательским станциям, размещенным на Луне в рамках программы агентства «Артемида», потребуются внепланетные производственные мощности. «Возможность создавать детали в космосе для их ремонта будет важна, потому что запасных частей не хватит», — сказал он. «Наполнение порошком, гранулами или печатной нитью намного проще и обеспечивает большую гибкость».

«Аддитивное производство обеспечивает гибкость: если у вас есть сырье, вы можете изготовить любую необходимую запасную деталь, будь то в космосе или на Земле», — сказал Гибсон. Вот почему аддитивное производство вызвало значительный интерес к широкому спектру потребностей в замене, от быстроизготовляемых инструментов до труднодоступных отливок и поковок. Для освоения космоса и проживания в космосе 3D-принтеры в конечном итоге смогут использовать в качестве сырья местные материалы с Луны или Марса.

Среди других исследователей ORNL, участвовавших в проекте, — Джей Рейнольдс, Гордон Робертсон, Грег Ларсен, Джимми Стамп, Майкл Бериш, Крис Ледфорд, Райан ДеХофф и бывший сотрудник ORNL Чарльз Уэйд при технической поддержке Райана Дункана и Джереми Малмстеда. Исследование финансировалось НАСА и Управлением передовых материалов и производственных технологий Министерства энергетики (AMMTO) и проводилось на демонстрационном производственном комплексе Министерства энергетики в ORNL. На этом предприятии находится Консорциум MDF, национальная группа сотрудников, которая работает с ORNL над разработкой самых современных производственных технологий в Соединенных Штатах под руководством AMMTO.

UT-Battelle управляет ORNL Управления науки Министерства энергетики, крупнейшего спонсора фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах. Управление науки работает над решением некоторых из наиболее острых проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт power.gov/science.

Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! Мы не несем ответственности за достоверность информационных бюллетеней, публикуемых на EurekAlert! Через участвующие учреждения или использовать любую информацию через систему EurekAlert.