Trinamic技術(shù)在太空增材制造法中的應(yīng)用

當(dāng)今，全部航天器都是在地球上研發(fā)、測(cè)試和裝配，隨后由火箭運(yùn)至各自的執(zhí)行任務(wù)的地點(diǎn)。每一個(gè)部件都必須經(jīng)受火箭發(fā)射的高負(fù)荷，而實(shí)際上工作的負(fù)荷一般相對(duì)較低。這些超大型部件的重量、體積和火箭飛行所需的繁雜測(cè)試流程，使其在太空的運(yùn)輸成本很高。為減少這些費(fèi)用，可選用生產(chǎn)制造方法，將航天器部件制造成可以直接用于軌道。

帶著這個(gè)想法，由8名來(lái)自慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的學(xué)生組合而成的一個(gè)團(tuán)隊(duì)決定研發(fā)一個(gè)3D打印技術(shù)的原型，通過(guò)這個(gè)技術(shù)，太陽(yáng)能電池板、天線(xiàn)或其他任何設(shè)備都可以直接進(jìn)入太空。AIMIS-FYT—AIMIS用于太空增材制造—他們決定選用一種印刷方法，通過(guò)UV把光敏樹(shù)脂擠出來(lái)固化，Trinamic在其中扮演著重要角色。

一.應(yīng)用程序

這種裝置基本上是由一個(gè)內(nèi)置了笛卡兒3D打印運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本結(jié)構(gòu)所組合而成。該打印機(jī)有兩個(gè)平移和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。這樣打印機(jī)就可以在固定平面上移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。這樣系統(tǒng)就可以創(chuàng)建自由格式的結(jié)構(gòu)。打印頭是該組實(shí)驗(yàn)的主要力量，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)擠出機(jī)組合而成，在無(wú)重力條件下進(jìn)行樹(shù)脂粘度分布。擠壓出流程中，樹(shù)脂經(jīng)噴嘴后紫外線(xiàn)同時(shí)固化。

AIMIS-FYT詮釋了它的工作原理：“在我們的生產(chǎn)過(guò)程中，我們可以直接用機(jī)器人擠壓出所謂的“光敏聚合物”。其主要由擠出機(jī)組合而成，可將粘性光敏聚合物分布于機(jī)器內(nèi)。這樣，樹(shù)脂就可以通過(guò)噴嘴噴出，隨后固化。噴嘴向外運(yùn)動(dòng)就能產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)。這不像傳統(tǒng)的3D打印機(jī)那樣，是一層一層地做，而是可以直接擠出三維移動(dòng)結(jié)合樹(shù)脂的體積。

二.迎接挑戰(zhàn)

AIMIS-FYT選用的打印工藝不同于傳統(tǒng)的FDM打印機(jī)，它使用UV固化樹(shù)脂。要想產(chǎn)生3D結(jié)構(gòu)，這種樹(shù)脂需要以一種可控的和十分精確的方式分配。擠出機(jī)選用精密步進(jìn)電機(jī)，以滿(mǎn)足這些需求。此外，整個(gè)設(shè)備需要安裝在一個(gè)小隔間里，并且能夠和團(tuán)隊(duì)的軟件一同使用。該團(tuán)隊(duì)決定使用TMCM-1070模塊，以充分利用步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)簡(jiǎn)單的研究，我們了解了TMCM-1070的Trinamic驅(qū)動(dòng)模塊。驅(qū)動(dòng)模塊簡(jiǎn)單易用，可通過(guò)步進(jìn)、方向盤(pán)等接口控制，占用空間小，是一種可靠的解決方案。另外，這個(gè)模組位于一個(gè)盒子里，很容易滿(mǎn)足我們?cè)赯ero-G型飛機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需要，”來(lái)自慕尼黑的研究團(tuán)隊(duì)說(shuō)。

三.零重力測(cè)試

AIMIS-FYT團(tuán)隊(duì)于2019年11月被選入FlyYourThesis2020!歐洲航天局(ESA)的一個(gè)項(xiàng)目允許大學(xué)生在幾個(gè)拋物線(xiàn)飛行中在微重力條件下進(jìn)行科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)。到2020年11月，整個(gè)法國(guó)波爾多飛行流程中，來(lái)自慕尼黑的團(tuán)隊(duì)總共有90條拋物線(xiàn)來(lái)測(cè)試他們的技術(shù)。每一次拋物流程中，它們都會(huì)隨打印機(jī)一同在失重狀態(tài)下漂浮20秒左右。一共有90條拋物線(xiàn)將在3次飛行中完成，這樣我們就能完成總共90次試驗(yàn)。試驗(yàn)分為以上四種基本操作，在每一種基本功能下，測(cè)試不同的參數(shù)來(lái)識(shí)別它們對(duì)印刷工藝的影響。所以我們有各種各樣的傳感器，比如熱成像傳感器，氣壓傳感器，溫度傳感器等等。目的是打印90個(gè)不同尺寸和形狀的棒子，隨后詳細(xì)分析它們。試驗(yàn)結(jié)果將用于印刷工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，并證明我們的增材制造方法能夠在微重力下工作。未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步的改進(jìn)，甚至能夠在太空中進(jìn)行試驗(yàn)。

審核編輯：湯梓紅