Naukowcy drukują w 3D prototypowe koło modułu księżycowego

Naukowcy z Narodowego Laboratorium Oak Ridge Departamentu Energii, we współpracy z NASA, przenoszą produkcję przyrostową do ostatecznych granic, drukując w 3D ten sam typ koła, jakiego NASA używa w swoim robotycznym łaziku księżycowym, demonstrując technologię potrzebnych specjalistycznych części do eksploracji kosmosu.

Wytworzone metodą addytywną koło jest wzorowane na lekkich kołach znalezionych w łaziku Volatiles Investigating Polar Exploration Rover, czyli VIPER, mobilnym robocie, którego NASA planuje wysłać w 2024 r. w celu mapowania lodu i innych potencjalnych zasobów na południowym biegunie Księżyca. Misja ma na celu pomóc w ustaleniu pochodzenia i rozmieszczenia wody księżycowej oraz tego, czy możliwe jest zebranie z powierzchni Księżyca wystarczającej ilości wody, aby wesprzeć żyjących tam ludzi.

Chociaż prototypowe koło wydrukowane w ośrodku demonstracyjnym produkcji (MDF) Departamentu Energii w ORNL nie będzie w rzeczywistości używane podczas misji NASA na Księżyc, zostało stworzone, aby spełniać te same specyfikacje projektowe, co koła wykonane dla VIPER NASA. Planowane są dodatkowe testy w celu sprawdzenia projektu i metody produkcji, zanim technologia ta zostanie zastosowana w przyszłych statkach kosmicznych na Księżyc lub Marsa albo rozważona w innych zastosowaniach kosmicznych, takich jak duże elementy konstrukcyjne.

Produkcja przyrostowa może zmniejszyć zużycie energii, straty materiałów i czas realizacji produkcji, jednocześnie umożliwiając złożoność projektu i dostosowywanie właściwości materiałów. MDF przoduje w tych wysiłkach, opracowując od ponad dziesięciu lat technologię do szerokiego zakresu zastosowań w sektorach czystej energii, transportu i produkcji. Badacze z MDF wydrukowali prototyp koła łazika w ORNL jesienią 2022 r. Wyspecjalizowana drukarka 3D wykorzystała dwa koordynujące lasery i obrotową płytę konstrukcyjną, aby selektywnie stopić proszek metalowy w zaprojektowany kształt.

Typowe systemy łoża proszku metalicznego działają etapowo: w maszynie wielkości szafki warstwa proszku jest zbierana na nieruchomej płycie. Następnie laser selektywnie topi warstwę, po czym płyta nieznacznie się obniża i proces się powtarza. Drukarka zastosowana w prototypie koła łazika jest wystarczająco duża, aby można było włożyć do niej człowieka, i jest wyjątkowa pod względem możliwości drukowania dużych obiektów, gdy poszczególne etapy zachodzą jednocześnie i w sposób ciągły, powiedział Peter Wang, który kieruje pracami firmy MDF nad nowymi systemami laserowego stapiania proszków .

„To radykalnie zwiększa tempo produkcji przy tej samej mocy lasera” – powiedział, dodając, że osadzanie zachodzi o 50% szybciej. „Dopiero zarysowujemy powierzchnię tego, co potrafi ten system. Naprawdę wierzę, że taka będzie przyszłość laserowego druku proszkowego, zwłaszcza na dużą skalę i w produkcji masowej.” Wang i członkowie zespołu projektowego odkryli niedawno w badanie Tutajoraz analizować skalowalność technologii elementów drukujących, takich jak silniki elektryczne.

Chociaż maszyna jest wyjątkowa, kluczem do sukcesu projektu była wiedza badaczy w zakresie automatyzacji procesów i sterowania maszyną. Wykorzystali oprogramowanie opracowane w ORNL do „pocięcia” projektu koła na pionowe warstwy, a następnie zrównoważenia obciążenia pomiędzy dwoma laserami w celu równomiernego drukowania, osiągając wysoką wydajność produkcyjną, korzystając z technologii obliczeniowej niedawno zgłoszonej do ochrony patentowej.

Koło modelowe, jedna z pierwszych części wyprodukowanych przez system, ilustruje wartość współpracy międzyagencyjnej. „Projekt wspólnie z NASA naprawdę popchnął technologię do przodu” – powiedział ORNL Brian Gibson, badacz, który kierował projektem koła łazika, nazywając to kamieniem milowym. „Połączenie możliwości z potrzebami rozwojowymi było ekscytujące, a zespół był podekscytowany możliwością stworzenia prototypu komponentu do zastosowań w eksploracji kosmosu”.

Prototypowe koło, wykonane ze stopu na bazie niklu, ma około 8 cali szerokości i 20 cali średnicy, czyli jest znacznie większe niż typowe części drukowane przy użyciu systemów warstw proszku metalu. Osiągnięcie tego wymaga możliwości drukowania małych elementów geometrycznych rozmieszczonych na dużym obszarze roboczym. Gibson powiedział, że wytwarzanie przyrostowe pozwoliło na większe wyrafinowanie w projektowaniu krawędzi bez dodatkowych kosztów i trudności w produkcji.

Dla porównania cztery koła VIPER, które w przyszłym roku będą poruszać się po pyle księżycowym, wymagają wielu procesów produkcyjnych i etapów montażu. 50-częściowa felga VIPER jest montowana za pomocą połączeń klejonych 360°. Aby spełnić rygorystyczne wymagania misji, proces produkcyjny wymagał złożonej i czasochłonnej produkcji.

Jeśli testy NASA wykażą, że wydrukowany w 3D prototyp jest tak samo wytrzymały jak tradycyjnie produkowane koła, przyszłe statki kosmiczne będą mogły zamiast tego zastosować pojedynczą drukowaną felgę, czego wyprodukowanie zajęło ORNL 40 godzin. W ramach projektu inżynierowie ORNL i NASA zbadali także subtelne cechy konstrukcyjne nadruku, takie jak pochyłe ściany boczne, kopułowy kształt i falisty bieżnik, aby zwiększyć sztywność koła. Te cechy są trudne do uwzględnienia w istniejących projektach kół VIPER przy użyciu tradycyjnych metod produkcji. Chociaż druk 3D umożliwia bardziej złożone wzory i funkcje blokowania kół, uprościł i obniżył koszty projektowania kół oraz ułatwił końcowy montaż.

„Wiele z tych funkcji kół wprowadzono tylko po to, aby podkreślić możliwości wytwarzania przyrostowego” – powiedział Richard Hagen, inżynier projektu mechanicznego NASA i dyrektor laboratorium wytwarzania przyrostowego w Johnson Space Center NASA w Houston. „Pozwala łatwo wdrożyć cechy konstrukcyjne, które byłyby trudne do wdrożenia przy użyciu tradycyjnych narzędzi lub nawet tradycyjnie obrobionej części”. Zdolność ORNL do drukowania dużych obiektów pokazuje potencjał technologii wytwarzania przyrostowego w produkcji znacznie większych kół łazika zarówno na potrzeby misji na Księżyc, jak i na Marsa, powiedział Hagen.

Wyzwanie polega na tym, że specjalistyczna drukarka jest wykonana tylko z określonych materiałów – w tym przypadku ze stopu na bazie niklu – dlatego wydrukowane w 3D koło jest o 50% cięższe niż aluminiowe koło VIPER, a jednocześnie jest drukowane z podobną grubością.

NASA planuje przetestować działanie wydrukowanego w 3D koła łazika na polu skalnym w Johnson Space Center NASA lub w gigantycznej „piaskownicy” składającej się z symulowanych księżycowych skał i gleby w zakontraktowanym ośrodku testowym. Oceniający ocenią zwrotność koła, opór toczenia, poślizg boczny, pokonywanie wzniesień i inne wskaźniki wydajności.

Zaletą wytwarzania przyrostowego jest możliwość szybkiej aktualizacji projektu w odpowiedzi na testy, powiedział Hagen. Może również uwzględniać większą złożoność, taką jak zawieszenie, bez dodawania słabych punktów.

Hagen powiedział, że załogowe stacje badawcze umieszczone na Księżycu w ramach programu Artemis będą potrzebowały mocy produkcyjnych poza planetą. „Możliwość budowania części w kosmosie w celu ich naprawy będzie ważna, ponieważ nie można wziąć wystarczającej liczby części zamiennych” – powiedział. „Wypełnianie proszkiem, granulatem lub żarnikiem drukarskim jest znacznie łatwiejsze i zapewnia większą elastyczność.”

„Wytwarzanie przyrostowe zapewnia elastyczność, więc jeśli masz surowiec, możesz wyprodukować dowolną potrzebną część zamienną, czy to w kosmosie, czy na Ziemi” – powiedział Gibson. Właśnie dlatego produkcja przyrostowa wzbudziła duże zainteresowanie szeregiem potrzeb w zakresie wymiany, od szybko produkowanych narzędzi po trudne do zdobycia odlewy i odkuwki. Do eksploracji kosmosu i zamieszkiwania drukarki 3D mogłyby ostatecznie wykorzystać jako surowce lokalne materiały z Księżyca lub Marsa.

Inni badacze ORNL zaangażowani w projekt to Jay Reynolds, Gordon Robertson, Greg Larsen, Jimmy Stump, Michael Burish, Chris Ledford, Ryan DeHoff i były pracownik ORNL Charles Wade, przy wsparciu technicznym Ryana Duncana i Jeremy’ego Malmsteada. Badania zostały sfinansowane przez NASA oraz Biuro Zaawansowanych Materiałów i Technologii Produkcyjnych (AMMTO) DOE i zostały przeprowadzone w ośrodku demonstracyjnym produkcji DOE w ORNL. Obiekt jest siedzibą konsorcjum MDF, krajowej grupy współpracowników współpracującej z ORNL w celu opracowania najnowocześniejszych technologii produkcyjnych w Stanach Zjednoczonych pod kierunkiem AMMTO.

UT-Battelle zarządza ORNL w Biurze Naukowym Departamentu Energii, największym pojedynczym podmiotie wspierającym badania podstawowe w naukach fizycznych w Stanach Zjednoczonych. Biuro Nauki pracuje nad rozwiązaniem niektórych z najpilniejszych wyzwań naszych czasów. Aby uzyskać więcej informacji, odwiedź stronę internetową power.gov/science.

Zastrzeżenie: AAAS i EurekAlert! Nie ponosimy odpowiedzialności za dokładność biuletynów publikowanych w EurekAlert! Za pośrednictwem instytucji wnoszących wkład lub do wykorzystania jakichkolwiek informacji za pośrednictwem systemu EurekAlert.