用火星風化層也能進行3D打印？
時間：2022-09-13 10:36 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：自從人類進行空間探索開始以來，每項任務都非常昂貴。例如，美國國家航空航天局的航天飛機將一公斤有效載荷送入地球軌道的成本約為54000美元。在太空中制造和修復結構部件的能力對于未來前往月球、火星和國際空間站以外的空間任務至關重要。為了使這一想法成為可能，增材制造（AM）技術可以利用現有的原地資源自下而上和逐層制造結構。此外，如果結構部件可以利用原位資源制造，則可以將所需的質量負擔降至最低。
2022年9月，來自華盛頓州立大學(WSU) 的研究人員開發了一種材料，可用于3D打印，以制造探索火星任務所需的設備。 他們的研究已經發表在了《國際陶瓷應用技術》期刊中，題目為《Martian regolith—Ti6Al4V composites via additivemanufacturing》，下面就跟隨南極熊一探究竟吧！
概括來說，研究人員通過將鈦與模擬的火星風化層混合，創造出一種可用于3D打印的原材料。使用定向能量沉積 (DED) 3D 打印技術可以將其制造成具有更高阻力質量的結構。若將研發的材料進行進一步迭代或者研究，該團隊表示有可能在火星表面生產工具或火箭部件，而不是使用昂貴的NASA航天飛機將其運輸。
太空經濟制造
自從太空探索出現以來，WSU 團隊表示，“太空作戰的各個方面”仍然非常昂貴。根據研究人員Ames Research Center的2018年的報告數據指出，使用NASA 的航天飛機將每1公斤有效載荷送入軌道的成本約為 54,000 美元。 因此，利用原地資源來確保未來太空任務的經濟性至關重要。該研究的成員之一Amit Bandyopadhyay指出，這樣做不僅是必要的，而且它降低了許多可能產生的“后勤”問題，比如“如果我們忘記了某些東西，我們就不能回來拿。”
△美國宇航局的火星探測器取風化層樣本進行分析，以及定向能量沉積 (DED) 處理示意圖
正如科學家們在他們的論文中強調的那樣，3D打印被認為是制造和維修設備的一種手段，但其中的某些技術仍有待研究。例如，使用 DED技術打印純風化層結構仍然具有挑戰性，因為該材料的陶瓷成分具有高熔點、低激光吸收和易斷裂的特性。這些特性意味著 DED 打印的風化層部件會出現嚴重的裂縫或氣孔，導致它們的涂層界面強度較差。先前的研究還表明，火星塵埃的磨損會影響未來建筑的可行性。為了解決這些問題，該團隊通過將模擬火星塵埃與不同形式的鈦混提高結構的穩定性。
△圖片來自華盛頓州立大學。
創建鈦-風化層復合材料
為了確定碎火星巖石和鈦的最佳混合物，WSU 團隊將Tekna Ti64 粉末添加到不同濃度的風化層模擬物中，然后將所得顆粒篩分成各種粒度。 初步測試表明，加載鈦的混合物能夠在現有部件上形成約 2 毫米的涂層，這比純風化層可能的200微米覆蓋層要厚得多。研究人員還發現，由于風化層的陶瓷含量與 Ti64 粉末之間存在“熱失配”，前者的含量越高，越容易出現裂紋。
△涂層質量
當談到強度時，科學家們發現在鈦中添加模擬火星塵埃可以使其被3D打印成具有兩倍顯微硬度的結構。研究小組認為，這是由于沉積時在其材料中觀察到的細晶粒微結構的快速凝固和形成，以及循環熱積累和風化層的陶瓷含量的結果。
展望未來，Bandyopadhyay打算繼續他們的國家科學基金會(NSF) 支持的研究，以開發風化層復合材料。通過試驗不同的金屬和 3D 打印工藝，科學家們最終的目標是找到適合生產用于太空應用的輕質承重部件的材料。
Bandyopadhyay 總結道：“WSU 復合材料可以提供更好、更高強度和硬度的材料，因此它可以在某些實際應用中表現得更出色，我們的研究應該朝這個方向展開，因為它不僅能夠制造脆弱的塑料部件，而且能夠制造堅固的金屬陶瓷復合部件，可用于任何類型的結構部件。”
△Redwire 風化層打印設施套件，包括 Redwire 的增材制造設施，以及打印頭、印版和月球風化層模擬原料。
建立風化層的 3D 可打印性
●作為去年公布的項目的一部分，Redwire 的 Regolith Print 平臺已安裝在國際空間站上，用于測試 3D 打印的月球建造能力。
●在不倫瑞克工業大學和漢諾威激光中心，科學家們首次在零重力下進行了3D打印的月球風化層實驗。通過他們代號為“MOONRISE”的實驗項目，該團隊已經設法將定制激光器安裝到月球車上，并將月塵融化成球形。
●德克薩斯建筑公司ICON已分包建造3D 打印的 NASA 模擬火星棲息地。該 1,700 平方英尺的結構是為NASA 約翰遜航天中心的長期任務模擬而開發的。
原文鏈接：DOI: 10.1111/ijac.1413
2022年9月，來自華盛頓州立大學(WSU) 的研究人員開發了一種材料，可用于3D打印，以制造探索火星任務所需的設備。 他們的研究已經發表在了《國際陶瓷應用技術》期刊中，題目為《Martian regolith—Ti6Al4V composites via additivemanufacturing》，下面就跟隨南極熊一探究竟吧！
概括來說，研究人員通過將鈦與模擬的火星風化層混合，創造出一種可用于3D打印的原材料。使用定向能量沉積 (DED) 3D 打印技術可以將其制造成具有更高阻力質量的結構。若將研發的材料進行進一步迭代或者研究，該團隊表示有可能在火星表面生產工具或火箭部件，而不是使用昂貴的NASA航天飛機將其運輸。
太空經濟制造
自從太空探索出現以來，WSU 團隊表示，“太空作戰的各個方面”仍然非常昂貴。根據研究人員Ames Research Center的2018年的報告數據指出，使用NASA 的航天飛機將每1公斤有效載荷送入軌道的成本約為 54,000 美元。 因此，利用原地資源來確保未來太空任務的經濟性至關重要。該研究的成員之一Amit Bandyopadhyay指出，這樣做不僅是必要的，而且它降低了許多可能產生的“后勤”問題，比如“如果我們忘記了某些東西，我們就不能回來拿。”
△美國宇航局的火星探測器取風化層樣本進行分析，以及定向能量沉積 (DED) 處理示意圖
正如科學家們在他們的論文中強調的那樣，3D打印被認為是制造和維修設備的一種手段，但其中的某些技術仍有待研究。例如，使用 DED技術打印純風化層結構仍然具有挑戰性，因為該材料的陶瓷成分具有高熔點、低激光吸收和易斷裂的特性。這些特性意味著 DED 打印的風化層部件會出現嚴重的裂縫或氣孔，導致它們的涂層界面強度較差。先前的研究還表明，火星塵埃的磨損會影響未來建筑的可行性。為了解決這些問題，該團隊通過將模擬火星塵埃與不同形式的鈦混提高結構的穩定性。
△圖片來自華盛頓州立大學。
創建鈦-風化層復合材料
為了確定碎火星巖石和鈦的最佳混合物，WSU 團隊將Tekna Ti64 粉末添加到不同濃度的風化層模擬物中，然后將所得顆粒篩分成各種粒度。 初步測試表明，加載鈦的混合物能夠在現有部件上形成約 2 毫米的涂層，這比純風化層可能的200微米覆蓋層要厚得多。研究人員還發現，由于風化層的陶瓷含量與 Ti64 粉末之間存在“熱失配”，前者的含量越高，越容易出現裂紋。
△涂層質量
當談到強度時，科學家們發現在鈦中添加模擬火星塵埃可以使其被3D打印成具有兩倍顯微硬度的結構。研究小組認為，這是由于沉積時在其材料中觀察到的細晶粒微結構的快速凝固和形成，以及循環熱積累和風化層的陶瓷含量的結果。
展望未來，Bandyopadhyay打算繼續他們的國家科學基金會(NSF) 支持的研究，以開發風化層復合材料。通過試驗不同的金屬和 3D 打印工藝，科學家們最終的目標是找到適合生產用于太空應用的輕質承重部件的材料。
Bandyopadhyay 總結道：“WSU 復合材料可以提供更好、更高強度和硬度的材料，因此它可以在某些實際應用中表現得更出色，我們的研究應該朝這個方向展開，因為它不僅能夠制造脆弱的塑料部件，而且能夠制造堅固的金屬陶瓷復合部件，可用于任何類型的結構部件。”
△Redwire 風化層打印設施套件，包括 Redwire 的增材制造設施，以及打印頭、印版和月球風化層模擬原料。
建立風化層的 3D 可打印性
●作為去年公布的項目的一部分，Redwire 的 Regolith Print 平臺已安裝在國際空間站上，用于測試 3D 打印的月球建造能力。
●在不倫瑞克工業大學和漢諾威激光中心，科學家們首次在零重力下進行了3D打印的月球風化層實驗。通過他們代號為“MOONRISE”的實驗項目，該團隊已經設法將定制激光器安裝到月球車上，并將月塵融化成球形。
●德克薩斯建筑公司ICON已分包建造3D 打印的 NASA 模擬火星棲息地。該 1,700 平方英尺的結構是為NASA 約翰遜航天中心的長期任務模擬而開發的。
原文鏈接：DOI: 10.1111/ijac.1413
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