美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员与 NASA 合作，通过 3D 打印与 NASA 机器人月球车设计相同的轮子，将增材制造推向最后的前沿，展示了专用部件的技术太空探索所需。
这种增材制造的轮子是以挥发物调查极地探索漫游车（VIPER）现有的轻型轮子为蓝本的，VIPER是美国宇航局计划于2024年发射的移动机器人，用于绘制月球南极的冰和其他潜在资源地图。该任务旨在帮助确定月球水的来源和分布，以及是否可以从月球表面收集足够的水来支持生活在那里的人们。
虽然在橡树岭国家实验室 (ORNL) 的美国能源部制造示范设施 (MDF) 打印的原型轮实际上不会用于 NASA 登月任务，但它的设计是为了满足与为 NASA VIPER 制造的轮相同的设计规格。在将该技术用于未来的月球或火星漫游车或考虑将其用于其他空间应用（例如大型结构部件）之前，计划进行额外的测试来验证设计和制造方法。
增材制造可以减少能源使用、材料浪费和交货时间，同时实现设计复杂性和材料特性的定制。MDF 处于这一努力的最前沿，十多年来一直在开发该技术，以广泛应用于清洁能源、交通和制造领域。MDF 研究人员于 2022 年秋季在 ORNL 打印了流动轮原型。一台专用 3D 打印机使用两个协调的激光器和一个旋转构建板来选择性地将金属粉末熔化成设计的形状。
典型的金属粉末床系统按步骤操作：在机柜大小的机器中，它们在固定板上耙上一层粉末。然后，激光选择性地熔化一层，然后板稍微降低并重复该过程。负责 MDF 新型激光粉末床融合系统开发的 Peter Wang 表示，用于流动轮原型的打印机足够大，足以容纳一个人进入，并且其独特之处在于能够在步骤同时连续发生的情况下打印大型物体。
“在相同的激光功率下，这大大提高了生产率，”他补充道，沉积速度提高了 50%。“我们只是触及了该系统功能的皮毛。我真的认为这将是激光粉末床打印的未来，尤其是大规模和批量生产。” 王和项目团队成员最近发表了一项研究， 分析了电动马达等打印组件技术的可扩展性。
尽管该机器很独特，但该项目成功的关键是研究人员在过程自动化和机器控制方面的专业知识。他们使用橡树岭国家实验室开发的软件将车轮设计“切片”成垂直层，然后平衡两个激光器之间的工作量以均匀打印，利用最近提交专利保护的计算技术实现高生产率。
原型轮是该系统生产的首批部件之一，展示了机构间协作的价值。“与 NASA 合作的项目确实推动了这项技术的发展，”橡树岭国家实验室火星车轮项目的负责人布莱恩·吉布森 (Brian Gibson) 表示，他称其为一个里程碑。“将功能与发展需求联系起来真是太棒了，团队很高兴能够制作具有太空探索应用的原型组件。”
该原型轮由镍基合金制成，宽约 8 英寸，直径约 20 英寸，比使用金属粉末床系统打印的典型零件大得多。制造它需要能够打印分布在大工作区域的小几何特征。吉布森说，增材制造使轮圈设计变得更加复杂，而不会增加成本或制造难度。
相比之下，明年将在月球尘埃中搅拌的四个 VIPER 车轮需要多个制造工艺和组装步骤。VIPER 的 50 片轮辋由 360 个铆接接头固定在一起。为了满足任务的严格要求，制造过程需要复杂且耗时的机械加工。
如果 NASA 测试证明 3D 打印原型与传统制造的车轮一样坚固，那么未来的漫游车可以改用单个打印轮圈，而 ORNL 需要 40 个小时才能制造出来。通过该项目，橡树岭国家实验室和美国宇航局工程师还探索了打印精确的设计特征，例如倾斜的侧壁、圆顶形状和波浪形胎面，以增加车轮的刚度。使用传统制造方法很难将这些特性融入到当前的 VIPER 车轮设计中。尽管可以为车轮提供更复杂的辐条图案和辐条锁定功能，但 3D 打印简化了车轮设计并降低了成本，并使最终组装变得更加容易。
“许多车轮特征的加入只是为了强调增材制造的用途，”美国宇航局机械设计工程师兼休斯敦美国宇航局约翰逊航天中心增材制造实验室经理理查德·哈根说。“它可以让您轻松实现传统工具甚至传统加工零件难以实现的设计功能。” 哈根说，橡树岭国家实验室打印大型物体的能力证明了增材制造技术在为月球和火星任务生产更大的火星车轮子方面的潜力。
挑战在于，专用打印机仅使用某些材料（在本例中为镍基合金）进行构建，因此 3D 打印的车轮比铝 VIPER 车轮重 50%，而打印厚度相似。
NASA 计划在 NASA 约翰逊航天中心的岩石堆场或合同测试设施的模拟月球岩石和土壤的巨型“沙箱”中测试 3D 打印车轮的性能。评估人员将评估车轮的可操纵性、旋转阻力、侧滑、爬坡和其他性能指标。
哈根表示，增材制造具有根据测试快速更新设计的优势。它还可以包含更多的复杂性，例如悬架系统，而不会增加弱点。
哈根表示，作为该机构阿耳忒弥斯计划的一部分，在月球上设置的载人研究站将需要地外制造能力。“能够在太空中制造维修零件非常重要，因为你无法获得足够的备件，”他说。“用于打印的粉末、颗粒或长丝更容易包装，并且具有更大的灵活性。”
“增材制造提供了灵活性，如果你有原料，你就可以制造你需要的任何替换零件，无论是在太空还是在地球上，”吉布森说。这就是增材制造引起了一系列替代需求的极大兴趣的原因，从快速制造的模具到难以采购的铸件和锻件。对于太空探索和居住，3D 打印机最终可以使用来自月球或火星的当地材料作为原料。
参与该项目的其他 ORNL 研究人员包括 Jay Reynolds、Gordon Robertson、Greg Larsen、Jamie Stump、Michael Borish、Chris Ledford、Ryan Dehoff 和前 ORNL 工作人员 Charles Wade，并得到 Ryan Duncan 和 Jeremy Malmstead 的技术支持。该研究由美国宇航局和美国能源部先进材料和制造技术办公室（AMMTO）资助，并在美国能源部位于橡树岭国家实验室的制造示范设施进行。该工厂是 MDF 联盟的所在地，该联盟是一个全国性的合作者团体，与 ORNL 合作，在 AMMTO 的指导下推进美国最先进的制造技术。
德克萨斯大学巴特尔分校为能源部科学办公室管理橡树岭国家实验室，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者。科学办公室正在努力解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。
