NASA：為用于太空任務(wù)的激光器，3D打印安裝支架

2022年7月2日，南極熊獲悉，SpaceX的第25次商業(yè)補給服務(wù) (CRS-25) 任務(wù)將為國際空間站 (ISS) 的工作人員提供新的科學(xué)研究支持、補給和設(shè)備，其中包括3D打印的電鍍支架。這個支撐部件是由美國宇航局制造的，用于安置新的激光器，以確定其星上巖石的年齡。進入國際空間站后，研究人員還會對3D打印部件進行測試，包括將其暴露于外太空等操作。


尺寸小性能高的激光器
在馬里蘭州美國宇航局 Goddard Space Flight Center 最近發(fā)表的一篇文章中，該機構(gòu)談到了此次實驗的目標(biāo)和國際空間站正在進行的工作，以及3D打印將對項目進展產(chǎn)生的作用和影響。根據(jù)該機構(gòu)在《CuttingEdge 2022 年春季刊》上發(fā)表的內(nèi)容，Goddard 物理學(xué)家Barry Coyle開發(fā)的激光填補了現(xiàn)有技術(shù)的空白，為未來的行星任務(wù)提供了一種強大而小巧的輕量級工具，可以探索其他行星的形成方式。此外，這個手掌大小的激光器對于小型漫游車和著陸器至關(guān)重要，可減少任務(wù)預(yù)算。

Coyle對激光的興趣可以追溯到1980 年代，當(dāng)時他在South Carolina的Charleston大學(xué)中物理學(xué)教授Fred Watts的激光實驗室工作，覺得激光很難。他在2021年10月，于Goddard研究其他太空激光器時，在美國宇航局的一篇帖子中思考過為什么將激光組裝在一個地方對生產(chǎn)和成本效率如此重要的原因。在地球科學(xué)激光高度計系統(tǒng)(GLAS)推出后不久，Coyle就產(chǎn)生了就地制造激光器的想法，該激光系統(tǒng)是第一個用于連續(xù)全球觀測地球的激光測距儀器。

Coyle指出：“在 NASA之外生產(chǎn)太空飛行激光系統(tǒng)既昂貴又低效，沒有什么能像3D打印那樣節(jié)省時間、能源和成本，使用3D打印技術(shù)能夠大大簡化制造過程和裝配過程，使其成為新型“小巧”激光器等定制部件的理想解決方案。”


△手掌大小的激光器通過 Form 3 上打印的電鍍支架（銀色）連接到安裝區(qū)域。圖片由美國宇航局Goddard Space Flight Center提供。

3D打印激光器的安裝支架
與Curiosity 和Perseverance火星探測器上的大型激光器不同，此款新的激光器非常適合小樣本觀測。激光能夠通過將巖石中的分子分離成原子來測量巖石樣品的成分。然而，激光器需要有一個正確合理的連接和安裝位置，才能正常工作。這就是3D打印的用武之地了。工程師使用3D技術(shù)快速開發(fā)和改進了激光器的安裝連接部分。

為了制作安裝支架，NASA使用了Formlabs的Form 3立體光刻 (SLA) 平臺和該品牌的 Rigid 10K Resin，這是一種玻璃填充材料，是Formlabs工程產(chǎn)品組合中硬度最高的材料，可用于制造承受大量載荷而不彎曲的精密工業(yè)零件，它可以呈現(xiàn)出光滑的啞光效果，并且具有很高的耐熱性和耐化學(xué)性。接下來，Goddard的NASA工程師依靠nTopology生成設(shè)計軟件為支架提供有機支撐設(shè)計，最大限度地提高承載能力。然后，他們與 Formlabs 打印商合作，優(yōu)化支架設(shè)計以實現(xiàn)最大強度。



根據(jù)Goddard工程師 Matthew Mullin的說法，“能夠與專業(yè)領(lǐng)域的人合作設(shè)計制造3D打印激光零件，真的很令人興奮。與傳統(tǒng)加工相比，3D打印可以更快地完成不同的設(shè)計，并且成本顯著降低。像這樣的3D打印激光組件曾經(jīng)是由輕質(zhì)金屬定制銑削而成；現(xiàn)在，先進的制造技術(shù)可以縮短制造時間和成本。”

最終打印部件制造完成后，該團隊將其樹脂打印品發(fā)送給位于馬里蘭州的專業(yè)公司RePliForm，以實現(xiàn)外層電鍍。電鍍Rigid 10K Resin 打印部件可以增加零件的強度并減少了部件排放的廢氣量，使部件比相同應(yīng)用的傳統(tǒng)機加工部件輕得多。此外，得益于3D 打印，Goddard 團隊可以在比竄通加工過程更短的時間內(nèi)進行設(shè)計、打印、迭代和重新設(shè)計。


△SpaceX  Dragon飛船。圖片由美國宇航局Goddard Space Flight Center提供。

該激光器將于2022 年7 月14日之前在 CRS-25 任務(wù)中從佛羅里達州 NASA 的肯尼迪航天中心發(fā)射，搭載SpaceX的robotic Dragon太空艙和獵鷹9號火箭。CRS-25 將履行SpaceX和NASA之間正在進行的貨運合同的一部分，是這艘特飛船的第三次任務(wù)。