2022 年初，由美國宇航局NASA位于南加州的噴氣推進實驗室領(lǐng)導(dǎo)的冷可操作月球可展開臂 (COLDArm) 項目成功地將特殊齒輪集成到機械臂的部件中，該機械臂計劃在未來幾年投入到月球任務(wù)中。這些大塊金屬玻璃 (BMG) 齒輪集成到 COLDArm 的關(guān)節(jié)和執(zhí)行器中，是通過改變游戲規(guī)則的開發(fā)大塊金屬玻璃（非晶態(tài)合金）齒輪項目開發(fā)的，可在低于華氏 280 度（負173攝氏度）的極端溫度下運行。與網(wǎng)友一起來洞悉技術(shù)的發(fā)展如何推動人類探索宇宙的能力進步。

© 南加州大學

開啟3D打印金屬玻璃的商業(yè)化進程

       非晶態(tài)金屬（金屬玻璃）又稱非晶態(tài)合金， 它既有金屬和玻璃的優(yōu)點， 又克服了它們各自的弊�。�如玻璃易碎， 沒有延展性．金屬玻璃的強度高于鋼， 硬度超過高硬工具鋼， 且具有一定的韌性和剛性， 所以， 人們贊揚金屬玻璃為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”

© 3D科學谷白皮書

      非晶態(tài)金屬集眾多優(yōu)異性能于一身，如高強度、高硬度、耐磨以及耐腐蝕 等。這些優(yōu)異的性能使其在航空航天、汽車船舶、裝甲防護、精密儀器、電力、 能源、電子、生物醫(yī)學等領(lǐng)域都存在廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)ACAM亞琛增材制造中心，3D打印-增材制造的發(fā)展趨勢朝向多維度的深化層面，面向量產(chǎn)應(yīng)用，3D打印突破當前應(yīng)用對經(jīng)濟性要求的限制，向應(yīng)用端深度延伸走向產(chǎn)業(yè)化的一條發(fā)展路徑是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的產(chǎn)品。

 低溫運行的自潤滑齒輪

       據(jù)悉， NASA的COLDArm 項目中的機器人關(guān)節(jié)和執(zhí)行器中的金屬玻璃齒輪合金具有無序的原子級結(jié)構(gòu)，使其既堅固又富有彈性，足以承受這些異常低溫。典型的齒輪箱需要加熱才能在這樣的低溫下運行。BMG 齒輪電機已經(jīng)過測試并在大約 -279 華氏度（-173 攝氏度）下成功運行，無需加熱輔助。這種齒輪電機是使機械臂能夠在極冷環(huán)境中運行的關(guān)鍵技術(shù)之一，例如在月球夜晚。

四個組裝的機器人關(guān)節(jié)之一，包括用于 COLDArm 機器人手臂每個關(guān)節(jié)的大塊金屬玻璃齒輪電機

© Motiv Space Systems, Inc.

      包含BMG齒輪的四個關(guān)節(jié)中的每一個都將在手臂完全組裝后進行測試，機器人關(guān)節(jié)測試將包括測功機測試以測量扭矩/轉(zhuǎn)速和低溫熱真空測試以了解設(shè)備如何在類似于太空的環(huán)境中應(yīng)用。一旦通過測試，BMG 齒輪和 COLDArm冷可操作月球可展開臂將在月球、火星和海洋世界的極端環(huán)境中執(zhí)行未來任務(wù)。

© Motiv Space Systems, Inc.

     COLDArm 項目由月球表面創(chuàng)新計劃資助，并由美國宇航局NASA空間技術(shù)任務(wù)理事會的改變游戲規(guī)則發(fā)展計劃管理。在NASA小型企業(yè)創(chuàng)新研究計劃下，一家名為Motiv Space Systems正在領(lǐng)導(dǎo) COLDArm手臂和電機控制器的設(shè)計和制造，3D科學谷認為這或許將開啟協(xié)作機器人應(yīng)用的新時代。

 高精度齒輪與協(xié)作機器人

         1990 年代中期，兩位西北大學教授以一個新術(shù)語為替代概念申請了專利：協(xié)作機器人。旨在與人類合作的協(xié)作機器人將更小、更智能、反應(yīng)更靈敏、意識更強，具有更嚴格的自我控制和更好的舉止。從那以后的幾年里，人工智能和傳感器的飛躍使這些“更友好”的機器人成為現(xiàn)實，但成本仍然阻礙了它們的廣泛采用。然而，最大的成本因素并不總是先進的軟件和傳感器。還歸結(jié)為一些最基本的機器部件：例如齒輪，據(jù)悉，在某些協(xié)作機器人的制造中，高精度齒輪的成本至少是機械臂的一半�，F(xiàn)在總部位于加利福尼亞州的 Amorphology 希望降低協(xié)作機器人的價格，這些技術(shù)最初是為從未用于人類互動的機器人（美國宇航局的行星漫游車）制造的。與地球上的大多數(shù)齒輪一樣，NASA 漫游車上的齒輪是由鋼制成的，既堅固又耐磨。但是鋼齒輪需要液體潤滑，而油在月球或火星表面等寒冷環(huán)境中效果不佳。因此，例如，美國宇航局的好奇號火星車每次準備開始滾動時都要花費大約三個小時來加熱潤滑油，消耗了大約四分之一的可自由支配的能量。金屬玻璃（非晶態(tài)合金）可以在其原子形成所有其他金屬共有的晶格結(jié)構(gòu)之前從液態(tài)快速冷卻為固態(tài)。原子像玻璃一樣隨機排列，賦予了玻璃和金屬的材料特性。根據(jù)它們的組成元素——通常包括鋯、鈦和銅——金屬玻璃可能非常堅固，而且因為它們不是結(jié)晶的，所以金屬玻璃是有彈性的。

        大多數(shù)組合物還形成堅硬、光滑的陶瓷氧化物表面，這些特性共同為由一些非晶態(tài)金屬制成的齒輪提供了長壽命而無需潤滑的特點。這對 NASA 來說非常重要，因為可以在不潤滑齒輪箱的情況下運行齒輪箱。目前，Motiv Space Systems 公司為月球任務(wù)合作開發(fā)的冷可操作月球可部署臂 (COLDArm) 預(yù)計將使用大塊金屬玻璃齒輪在低至 -290 華氏度的溫度下運行，而無需安裝熱源。金屬玻璃（非晶態(tài)金屬）還有另一個特性，這些合金的設(shè)計具有低熔點，因為要制造金屬玻璃，必須讓合金冷卻得比結(jié)晶速度快，這種低熔點，加上它們的固有強度以及它們的體積在固化時幾乎沒有變化的事實，這可以大大降低制造齒輪等零件的成本。

         然而，金屬玻璃（非晶態(tài)金屬）的制造是充滿挑戰(zhàn)的過程，特別是通常需要高于其熔化溫度，并迅速冷卻，使其避免結(jié)晶，從而形成的非晶態(tài)金屬玻璃。制造過程需要非凡的冷卻速度，并限制了它們可以形成的厚度，因為較厚的部分很難被迅速冷卻。

         用鋼塊加工的最困難、最昂貴的齒輪部件是機械臂中最常見的部件之一：柔性花鍵，這是一種帶有齒形邊緣的極薄壁柔性杯。這是所謂的波動齒輪組件的核心部件，與其他齒輪組相比，柔性花鍵提供更好的精度、更高的扭矩和更低的齒隙。這消除了在具有多個關(guān)節(jié)的機器人肢體中可能會出現(xiàn)的定位錯誤。

柔性花鍵是看起來非常奇怪的齒輪，但它是精密機器人的核心和靈魂。根據(jù)3D科學谷的了解這就是用非晶態(tài)金屬成型可以最大程度節(jié)省成本的地方：成本大約是用鋼加工應(yīng)變波齒輪的一半。

 自潤滑齒輪與金屬玻璃

      成型小型高性能行星齒輪和應(yīng)變波齒輪成為于 2014年創(chuàng)立的 Amorphology的核心業(yè)務(wù)計劃。通過加州理工學院，該公司為NASA開發(fā)的技術(shù)獲得了多項專利。Amorphology 并不是第一家加州理工學院的金屬玻璃創(chuàng)新商業(yè)化的公司，但眾所周知，創(chuàng)建一家基于新材料的初創(chuàng)公司非常困難。這其中的困難包括需要為這種材料找到一個長期市場，而大塊金屬玻璃 (BMG) 齒輪是朝著大塊金屬玻璃持續(xù)商業(yè)成功邁出的一大步。2017年美國加州理工大學通過增材制造技術(shù)來獲得非晶態(tài)金屬的專利獲批，當時，該技術(shù)已與國際上著名的幾家大型企業(yè)開始展開商業(yè)合作對話。值得一提的是該專利的發(fā)明人Douglas Hofmann正是Amorphology公司的創(chuàng)始人。

       加州理工大學制造非晶態(tài)金屬的方法為：將第一層金屬合金表面高溫熔融；迅速冷卻這層熔融金屬合金，凝固形成非晶態(tài)金屬的第一層；然后在此基礎(chǔ)上進行下一層的加工。在這個過程中使用的是“噴涂技術(shù)”應(yīng)用至每一層，包括等離子噴涂、電弧噴涂等方法。“噴涂技術(shù)”可以使用的原材料包括：金屬絲和金屬粉末。根據(jù)3D科學谷的市場研究，該“噴涂技術(shù)”為DED直接能量沉積3D打印技術(shù)。

 低溫運行的自潤滑齒輪

       非晶態(tài)金屬進入商業(yè)化在2017年已經(jīng)成為金屬增材制造界的熱門話題。根據(jù)3D科學谷的市場觀察，此前，EOS還投資非晶態(tài)金屬3D打印初創(chuàng)企業(yè)Exmet，Exmet是從2016年起與德國材料巨頭Heraeus集團合作研發(fā)非晶態(tài)金屬3D打印技術(shù)，與加州理工大學所使用的DED技術(shù)不同的是，Exmet在工廠中配備了一臺EOS M 290 金屬3D打印機，用于制造高性能的非晶態(tài)金屬零部件。

       Exmet公司還與賀利氏（Heraeus )合作研發(fā)非晶態(tài)金屬3D打印技術(shù)，賀利氏在2019年4月初發(fā)布了他們通過SLM （選區(qū)激光熔化）3D打印技術(shù)制造的非晶態(tài)金屬齒輪。賀利氏表示是迄今為止全球最大的非晶態(tài)金屬部件，他們正在突破非晶態(tài)金屬的制造界限，為制造業(yè)開辟非晶態(tài)金屬的全新設(shè)計可能性。賀利氏開發(fā)的3D打印非晶態(tài)金屬齒輪采用拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)制造工藝相比，齒輪重量能夠減輕50％。賀利氏通過SLM 3D打印技術(shù)，在非晶態(tài)金屬齒輪的尺寸和設(shè)計復(fù)雜性方面重新定義了傳統(tǒng)技術(shù)的限制，改變了這類材料的設(shè)計可能性。

     根據(jù)中國科學院物理研究所，中國近10年在金屬玻璃基本科學問題上取得了令國際矚目的研究成果。例如：在金屬玻璃中Beta弛豫的發(fā)現(xiàn)和表征,金屬玻璃的流變機制,金屬玻璃中的相變,金屬玻璃的斷裂準則,金屬玻璃斷裂形貌特征的物理解釋,金屬玻璃的彈性模型等研究。半個世紀以來,金屬玻璃已發(fā)展成為航天航空等高技術(shù)和手機、手提電腦等時尚品爭相選用的材料。作為兼有玻璃、金屬、固體和液體特性的新型金屬材料,金屬玻璃保持了金屬材料的很多最高記錄,比如：迄今為止,金屬玻璃是最強和最軟的金屬材料,是最強的穿甲材料,是最容易加工成型的金屬材料,是最耐蝕的金屬材料,是最理想的微、納米加工材料之一。金屬玻璃具有遺傳、記憶、軟磁、大磁熵等特性,還是研究材料科學和凝聚態(tài)物理中一些重要問題的模型體系。

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