【導讀】目前，所有航天器都經(jīng)過(guò)研制、測試和組裝，然后由火箭運送到各自的任務(wù)地點(diǎn)。每個(gè)部件必須承受火箭發(fā)射的高負荷，而實(shí)際任務(wù)的載荷通常相對較低。由于系統重量和體積大以及火箭飛行所需的復雜測試程序，這些超大部件會(huì )導致高昂的太空運輸成本。為了降低這些成本，可以使用增材制造方法直接在軌道上制造和使用航天器部件。
基于這一想法，慕尼黑應用科學(xué)大學(xué)的八名學(xué)生組成的團隊決定設計一種 3D 打印技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)，可以直接在太空中為太陽(yáng)能電池板、天線(xiàn)或任何其他裝置構建結構。他們命名為"AIMIS-FYT – 太空增材制造 AIMIS "，他們決定采用一種印刷方法，用紫外光擠出和固化光反應樹(shù)脂。
應用程序
設備基本上包括一個(gè)主要結構，有一個(gè)笛卡爾3D打印運動(dòng)安裝在里面。打印機有兩個(gè)平移軸和一個(gè)旋轉軸。因此，打印機可以在一個(gè)固定平面上移動(dòng)和旋轉。這使系統能夠創(chuàng )建自由格式結構。打印頭是團隊實(shí)驗的主力，由步進(jìn)電機驅動(dòng)的擠出機組成，在零重力下分配粘性樹(shù)脂。在擠出過(guò)程中，樹(shù)脂同時(shí)被噴嘴后面的紫外光固化。
AIMIS-FYT 解釋了它是如何工作的："在我們的工藝中，我們使用所謂的"光聚合物的直接機器人擠出"。它基本上由擠出機組成，通過(guò)擠出機可以分配粘性光聚合物。這允許樹(shù)脂通過(guò)噴嘴噴射，然后通過(guò)紫外線(xiàn)固化。通過(guò)外部移動(dòng)噴嘴，可以生成三維結構。在我們的案例中，這不是像傳統 3D打印機那樣一層一層地完成，而是直接通過(guò)三維運動(dòng)與樹(shù)脂的體積拉伸相結合。
解決挑戰
與傳統的 FDM 打印機不同，AIMIS-FYT 使用的打印工藝采用 UV 固化樹(shù)脂。這種樹(shù)脂需要以可控和非常精確的方式分配，以便產(chǎn)生 3D 結構。為了滿(mǎn)足這些要求，使用帶精確步進(jìn)電機的擠出機。此外，整個(gè)設置需要放入一個(gè)小隔間，并可用于團隊的軟件。
為了充分利用步進(jìn)電機的優(yōu)勢，團隊決定使用Trinamic的TMCM-1070模塊。"經(jīng)過(guò)短暫的研究，我們碰到了三元驅動(dòng)模塊TMCM-1070。此驅動(dòng)程序模塊易于使用，通過(guò)步進(jìn)和方向接口控制，占用空間非常小，是一個(gè)可靠的解決方案。此外，該模塊位于一個(gè)盒子里，很容易符合我們在零-G飛機上的實(shí)驗設置要求，"慕尼黑的團隊說(shuō)。
第一個(gè)結果
實(shí)驗基于四個(gè)基本操作，這些操作已確定為微重力的印刷結構（如架結構）。它們根據不斷增加的復雜性進(jìn)行排序，如下：
● 直桿
● 帶起點(diǎn)/停止點(diǎn)的直桿
● 自由形桿
● 桿之間的連接
通過(guò)組合這些基本操作，將來(lái)應該能夠直接在太空中創(chuàng )建任何自定義結構元素。
零重力測試
2019年11月，AIMIS-FYT團隊入選 FlyYourThesis2020！歐洲航天局（ESA）的一項計劃，允許大學(xué)生在幾次拋物線(xiàn)飛行期間在微重力條件下進(jìn)行科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗。在整個(gè)2020年11月在法國波爾多的飛行過(guò)程中，來(lái)自慕尼黑的團隊共有90個(gè)拋物線(xiàn)測試他們的技術(shù)。在每個(gè)拋物線(xiàn)期間，它們將和打印機一起在零重力下漂浮約 20 秒。
在三個(gè)飛行日，總共將飛行90個(gè)拋物線(xiàn)，因此，我們可以進(jìn)行總共90次實(shí)驗。實(shí)驗分為上述四個(gè)基本操作，在每個(gè)基本函數中，我們測試不同的參數，以確定它們對印刷過(guò)程的影響。因此，我們?yōu)閷?shí)驗配備了各種傳感器，如熱像儀、氣壓傳感器、溫度傳感器等。目標是打印各種尺寸和形狀的90根棒，然后進(jìn)行詳細分析。實(shí)驗結果將進(jìn)一步優(yōu)化印刷工藝，證明我們的增材制造方法在微重力條件下有效。將來(lái)，這項技術(shù)可以進(jìn)一步改進(jìn)，甚至可能在太空中進(jìn)行測試。這項技術(shù)為大幅降低衛星和其他空間飛行任務(wù)的成本提供了機會(huì )。
【AIMIS-FYT團隊: Julius Frick, Christoph Boehrer, Manuel Kullmann, Michael Kringer, Moritz Frey, Fabian Schill, Torben Schaefer, Maximilian Strasser】
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