泰勒大學(xué)研發(fā)可移動龍門型3D打印機(jī)，計(jì)劃用于火星任務(wù)

2022年5月4日，南極熊獲悉，泰勒大學(xué)的工程師開發(fā)了一種3D打印機(jī)，據(jù)說它能夠比其他系統(tǒng)更快地建造外星殖民基地。

與其他僅限于單點(diǎn)生產(chǎn)的外星棲息地建設(shè)平臺不同，該團(tuán)隊(duì)的“移動龍門”安裝在輪子上，使其能夠穿越行星表面并按需打印。由于該設(shè)備具有靈活性，以及機(jī)器的“無軌龍門架”布局，它的創(chuàng)造者說它可以適用于火星基地的“連續(xù)建造”。

△泰勒大學(xué)的“Mud Dauber”移動龍門 3D 打印機(jī)原型。圖片來自泰勒大學(xué)

為火星殖民做準(zhǔn)備  
近年來，世界各地的航天機(jī)構(gòu)和承包商，都開始加快為新的星際探索任務(wù)做準(zhǔn)備。不僅包括美國宇航局的阿耳忒彌斯計(jì)劃（2025計(jì)劃將人類送回月球），還包括由美國、中國、俄羅斯、日本和印度等組織機(jī)構(gòu)，計(jì)劃將軌道飛行器和著陸器送往火星。

但是，隨之而來的外星任務(wù)中也同樣出現(xiàn)了各種棘手問題。問題之一是如何在太空寒冷的真空環(huán)境中建立永久的、可居住的基地。如果將設(shè)施建在陸地上，并發(fā)射到月球或火星著陸點(diǎn)，它們的發(fā)射成本將是天文數(shù)字，并且會限制定居人口的增長。

同樣，使用傳統(tǒng)的制造方法在行星表面上建造，會因?yàn)樵S多因素而變得困難重重，尤其是對于建筑材料的運(yùn)輸是很大的麻煩。因此3D打印作為一種替代方法已經(jīng)成為了最有效的解決方案之一。至少從理論上講，可以通過該技術(shù)處理月球風(fēng)化層等資源，而且該技術(shù)特有的靈活性，允許實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)，方便運(yùn)輸和組裝。

然而，該團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)了現(xiàn)有的“固定基礎(chǔ)徑向臂”系統(tǒng)的缺點(diǎn)，由于有限的范圍以及在構(gòu)建完成之前，無法在不同位置之間移動而受到阻礙。雖然移動機(jī)器人和基于龍門的方法也非常有前景，但工程師們說這些方法分別“限制了棲息地設(shè)計(jì)”和“有限的速度”。

△該機(jī)器的粗略定位（藍(lán)色）和精細(xì)定位（綠色）子系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)數(shù)百米范圍內(nèi)的精密3D打印。圖片來自泰勒大學(xué)

移動3D打印龍門架
為了克服當(dāng)前建筑3D打印方法的局限性，泰勒大學(xué)團(tuán)隊(duì)決定將移動和龍門單元背后的技術(shù)結(jié)合到一個(gè)系統(tǒng)中。在設(shè)計(jì)中，這意味著該機(jī)器能夠通過滾動創(chuàng)建X軸，然后使用棱柱接頭作為實(shí)現(xiàn)Y和Z軸運(yùn)動的手段，并最終在不依賴導(dǎo)軌的情況下進(jìn)行打印。

為了確保移動龍門不會因偏離軌道而導(dǎo)致錯(cuò)誤，工程師們還為其配備了“本地定位系統(tǒng)”，使其能夠確定打印頭的位置、方向和速度。工程師們推測，未來該機(jī)器能夠無線操作、快速更新并精確地創(chuàng)建高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)，同時(shí)可應(yīng)對大部分表面的顛簸。

“移動龍門架：火星上3D打印結(jié)構(gòu)的機(jī)器人架構(gòu)”論文中有詳細(xì)說明，該論文由Peter Staritz、Caleb Miller和Josiah McClurg合著（下載論文，獲取更多信息）。

△ Mobile Gantry Architecture - engrXiv.pdf (547.11 KB, 下載次數(shù): 411)

2022-5-4 10:24 上傳

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該“移動龍門架：火星上3D打印結(jié)構(gòu)的機(jī)器人架構(gòu)”論文中有詳細(xì)說明，該論文由Peter Staritz、Caleb Miller ...

研究人員在原型設(shè)備中，盡可能的實(shí)現(xiàn)了自己的設(shè)計(jì)想法，包括地形補(bǔ)償、精細(xì)定位和3D打印子系統(tǒng)。在最初的測試中，這種“移動龍門架”已被證明能夠穿越不平坦的地形，并使用定位系統(tǒng)，將硫磺混凝土漿料擠壓成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

隨著進(jìn)一步的研發(fā)，工程師們相信他們的移動龍門系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)“平行建造”“具有巨大內(nèi)部體積”的站點(diǎn)，和允許其擴(kuò)展的錐形連接點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)還預(yù)計(jì)，在未來，他們的機(jī)器人可適用于打包部署，實(shí)現(xiàn)“更高質(zhì)量、更快地完成打印”的一種建筑方式。

△作為“Project MOONRISE”的一部分開發(fā)的車載激光3D打印機(jī)的概念圖。圖片來自漢諾威激光中心

在其他地方，來自不倫瑞克工業(yè)大學(xué)和漢諾威激光中心的科學(xué)家也開發(fā)了具有3D打印能力的月球車。作為代號為“MOONRISE”的項(xiàng)目的一部分，研究人員已經(jīng)設(shè)法將激光安裝到“MIRA3D”飛行器上，然后利用3D打印，基于月球風(fēng)化層創(chuàng)建零重力結(jié)構(gòu)。