航空航天工業(yè)在每個(gè)階段都要求質(zhì)量——以精度、安全性和可靠性的嚴(yán)格要求為基礎(chǔ)。隨著客運(yùn)量翻倍,以及減少對地球生態(tài)影響的壓力比以往任何時(shí)候都大,航天和航空業(yè)的制造商必須滿足21世紀(jì)航空的需求,特別強(qiáng)調(diào)制造輕質(zhì)部件。然而,沒有捷徑可走,制造商不斷探索的新方法,在更快的時(shí)間框架內(nèi)設(shè)計(jì)和制造更多更輕的飛機(jī),同時(shí)在任何飛機(jī)可以飛行之前獲得嚴(yán)格的認(rèn)證。

對輕量化部件的需求推動(dòng)了對飛機(jī)部件制造方式的需求——例如,采用先進(jìn)的復(fù)合材料或增材制造(AM)等新工藝。然而,任何新的設(shè)計(jì)都會(huì)給認(rèn)證帶來新的挑戰(zhàn),航空制造商通常會(huì)用自己的工作流程來解決設(shè)計(jì)認(rèn)證障礙,但這不是一項(xiàng)小任務(wù),可能需要大量的時(shí)間(有時(shí)是幾個(gè)月),而且還不包括解決途中的任何錯(cuò)誤。通過航空航天標(biāo)準(zhǔn)來確定獲得認(rèn)證所需的測試是一項(xiàng)費(fèi)力而耗時(shí)的工作。隨著工程和生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步使創(chuàng)新變得越來越容易,簡化認(rèn)證活動(dòng)的需求是必然的。
利用增材制造設(shè)計(jì)輕量級部件需要一種生成式設(shè)計(jì)方法,使工程師能夠完全重新思考現(xiàn)有結(jié)構(gòu),而不會(huì)受到部件和合并部件外觀的先入為主的想法的限制。通過虛擬創(chuàng)建零件的模擬,它減少了物理試驗(yàn)的次數(shù),而不消耗任何原材料。它還使工程師能夠快速調(diào)整制造過程,直到實(shí)現(xiàn)有效的過程。
復(fù)合材料3D打印同樣也在空間系統(tǒng)的地面準(zhǔn)備、在軌制造、甚至行星表面的原位資源利用方面有廣泛的應(yīng)用。其最新發(fā)展已涵蓋在國際空間站上的室內(nèi)實(shí)驗(yàn),在未來幾年內(nèi),將利用低地球軌道(Low Earth Orbits,LEOs)上的衛(wèi)星平臺進(jìn)行技術(shù)演示。本文調(diào)查了用于各種非地球用途的AM技術(shù),如機(jī)械、電氣、電化學(xué)和醫(yī)療應(yīng)用,為實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用需要由復(fù)合材料制成的部件或工具。本文還就如何利用為地面應(yīng)用開發(fā)的增材制造技術(shù)提出了建議,包括商業(yè)現(xiàn)貨軟件(Commercial-off-the-shelf,COTS)和基于實(shí)驗(yàn)室的技術(shù),降低開發(fā)成本并促進(jìn)可持續(xù)性。

增材制造技術(shù)的原材料選用最近變得愈加廣泛,從塑料、金屬、其復(fù)合材料和合金外,食品、織物、混凝土和水泥是已經(jīng)被考慮用于商業(yè)的新的可打印材料。增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也一直在向陸地應(yīng)用以外的空間工程領(lǐng)域擴(kuò)展。探索多樣化的材料和應(yīng)用,將實(shí)現(xiàn)降低人類探索宇宙成本的短期目標(biāo),還將助力人類為在地球以外長久生存的長期目標(biāo)。目前在地球上準(zhǔn)備的3D打印結(jié)構(gòu),在近期將在低地球軌道上制造或和組裝。在地球和地球外的增材制造活動(dòng)都有望加強(qiáng)太空任務(wù)的物流和供應(yīng)鏈管理。在月球或火星上建立太空棲息地的長期目標(biāo)將需要上述幾乎所有的可打印材料的3D打印,為的是打造類似于地球上現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)、電氣和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,擺脫對地球資源的依賴,維持宇航員的生活。
目前,小型火箭的整個(gè)引擎可以使用帶機(jī)械臂的大型金屬打印機(jī)進(jìn)行3D制造,這樣可以將組裝引擎部件的數(shù)量減少一個(gè)數(shù)量級。這些3D金屬打印機(jī)由于采用激光熔化工藝,所以很重,而且需要消耗大量能源。相比上一節(jié)中提到的3D打印復(fù)合材料,復(fù)合材料的熔點(diǎn)比金屬低得多,因此復(fù)合材料3D打印機(jī)受到的這些限制較少。復(fù)合材料3D打印機(jī)已被安裝在國際空間站供宇航員使用。這包含很多型號和品牌的商業(yè)3D打印機(jī)。事實(shí)也表明,它們在微重力下的功能沒有任何折損。然而,由于真空、輻射、微隕石等惡劣的空間條件,它們目前還沒有在國際空間站外使用。第一個(gè)在軌自動(dòng)3D打印設(shè)備將在不久的將來被推出,可生產(chǎn)具有大尺寸和長寬比的結(jié)構(gòu)部件。
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