近日，麻省理工學院的研究人員展示了一種用于軌道航天器的3D打印等離子體傳感器，3D科學谷了解到這些3D打印等離子體傳感器的工作原理與更昂貴的半導體傳感器一樣好。這些耐用、精確的傳感器可以有效地用于被稱為CubeSats的輕型衛星上，這些衛星通常用于環境監測或天氣預報。

3D打印等離子傳感器
© 麻省理工

       這些3D打印等離子體傳感器，也稱為延遲電位分析儀 (RPA)，被人造衛星等軌道航天器用于確定大氣化學成分和離子能量分布。由于成本低且生產速度快，這些傳感器非常適合CubeSats。這些便宜、低功率和輕便的衛星通常用于地球高層大氣的通信和環境監測。而麻省理工開發的3D打印傳感器可以在幾天內以數十美元的價格生產出來。

3D打印感應器的技術邏輯
© 3D科學谷白皮書

 光固化陶瓷3D打印

      研究人員使用比傳統傳感器材料（如硅和薄膜涂層）更耐用的玻璃陶瓷材料開發了RPA。通過在為塑料3D 打印而開發的制造工藝中使用玻璃陶瓷，能夠制造出形狀復雜的傳感器，這些傳感器可以承受航天器在低地球軌道上遇到的廣泛溫度波動。陶瓷的3D打印過程通常涉及用激光撞擊陶瓷粉末以將其融合成形狀，但由于來自激光的高熱量，此過程通常會使材料變得粗糙并產生脆弱點。相反，麻省理工學院的研究人員使用了光固化3D打印工藝，這是幾十年前市場上就流行的一種用于樹脂增材制造的工藝。

陶瓷3D打印技術
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     通過DLP光聚合3D打印工藝，每一層加完后，用紫外光固化含陶瓷材料的樹脂材料，每層只有 100 微米厚（大約是人類頭發的直徑），可以創造出光滑、無孔、復雜的陶瓷形狀。陶瓷和樹脂之間的折射率差異對固化深度的影響最大，其次是顆粒間距，最后是陶瓷顆粒尺寸。盡管粒徑對固化深度的影響很小，但它會顯著影響漿料流變性和后處理特性，因此必須小心控制。在3D打印數字制造過程中，產品的設計可以非常復雜，光固化3D打印可以實現的高精度使得研究人員能夠創建具有獨特形狀的加工路徑，以便等離子體傳感器的孔設置在外殼內時完美對齊。這使得更多的離子能夠通過，從而實現更高分辨率的測量。

先進陶瓷材料的應用
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      在設計的迭代方面，由于3D打印傳感器的生產成本低廉且制造速度如此之快，麻省理工團隊一次制作了四種獨特設計的原型。研究發現雖然一種設計在捕獲和測量各種等離子體方面特別有效，例如衛星在軌道上遇到的等離子體，但另一種設計非常適合感測極其密集和冷的等離子體，這些等離子體通常只能使用超精密半導體設備進行測量。這種高精度可以使得3D打印傳感器可應用于聚變能研究或超音速飛行，根據麻省理工的發現，3D打印帶來的快速原型制作過程可以刺激衛星和航天器設計方面的更多創新。

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      通常創新與失敗的挫折是交集在一起的，創新需要研究人員能夠失敗并承擔風險。然而，3D打印-增材制造巧妙的化解了挫折感，3D打印是制造太空硬件的一種非常不同的方式。研究人員可以制造太空硬件，如果它失敗了，也沒關系，因為3D打印可以非�？焖偾伊畠r地制造一個新版本，并真正進行快速的迭代設計。對于研究人員來說，這是一個理想的工具。下一步，麻省理工的科學家希望在未來改進制造過程，減少聚合過程中的層厚度或像素尺寸可以創建更精確的復雜硬件。此外，完全3D打印-增材制造傳感器的能力將使科研與太空制造銜接。科學家還想探索使用人工智能來優化特定場景下的傳感器設計，例如大大減少傳感器的質量，同時確保傳感器保持結構合理。

 多功能傳感器

      等離子體傳感器-延遲電位分析儀 (RPA)于 1959 年首次用于太空任務。傳感器檢測離子或帶電粒子中的能量，這些離子或帶電粒子漂浮在等離子體中，等離子體是地球上層大氣中分子的過熱混合物。在像 CubeSat這樣的軌道航天器上，多功能儀器測量能量并進行化學分析，可以幫助科學家預測天氣或監測氣候變化。傳感器包含一系列帶電的網格，上面點綴著小孔。當等離子體穿過空穴時，電子和其他粒子被剝離，直到只剩下離子。這些離子產生傳感器測量和分析的電流。

      等離子體傳感器-延遲電位分析儀 (RPA)成功的關鍵是對齊網格的外殼結構。它必須是電絕緣的，同時還能夠承受溫度的突然劇烈波動。無疑，陶瓷3D打印為多功能傳感器的制造開辟了曲徑通幽的一條道路。根據3D科學谷《3D打印陶瓷白皮書》，目前陶瓷3D打印企業發力于生產級的陶瓷3D打印系統與材料的研發，同時更低成本與更高精度的3D打印技術進入市場。隨著陶瓷增材制造技術與材料技術的繼續發展，基于光固化、粘結劑噴射、材料擠出3D打印技術的應用將得到不同程度的加強，在汽車、牙科、能源、電子等多個領域將獲得深化發展。

(責任編輯：admin)

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