原型平台证明能够在高达 400°C 的轨道条件下 3D 打印 PEEK

在工程师悉尼大学和中国科学技术大学已经设计能够在模拟太空条件下高温处理PEEK的3D打印机。

据该团队称,使用 FDM 3D 打印,可以在轨生产 PEEK 卫星备件,但空间中发生的热传递不足会导致当前系统过热。为了克服这个问题,研究人员开发了一种带有比例积分 (PI) 控制器的新型 3D 打印机,能够在高达 400°C 的真空中运行,这可能使其成为未来轨道维修任务的理想选择。

原型平台证明能够在高达 400°C 的轨道条件下 3D 打印 PEEK
研究人员提出的轨道 3D 打印系统图。图片来自《空间研究进展》杂志。

卫星服务难题?

在过去的 70 年里,地球轨道上的卫星数量猛增,据说现在有超过 2,500 颗横跨地球大气层。与这些对于地球上的通信和导航一样重要,它们对于引导太空任务也至关重要,因此它们的失败有可能使此类操作偏离轨道,并产生可能损坏轨道飞行器的碎片。

从理论上讲,通过“在轨制造”进行维修,可以防止卫星故障的发生。诺斯罗普·格鲁曼公司和DARPA等公司认为这种方法比将装有维修装置的火箭发射入轨道成本更低,现在正在执行任务,其中他们各自的“任务扩展飞行器”和“任务机器人飞行器”将进行轨道试验.

然而,中国和澳大利亚的研究人员表示,到 2030 年,在轨制造的成本预计仍将飙升至 62 亿美元。为了帮助航空航天公司减少在这方面的支出,该团队因此强调了 3D 打印实验的成功在国际空间站上,并建议该技术可以部署在外层空间以及载人航天器上。

特别是,工程师们认为 FDM 机器可能是进行轨道维修的理想选择,因为它们没有激光器、依赖于易于储存的灯丝以及与 PEEK 等坚固材料的兼容性。然而,尽管他们对该技术持乐观态度,但该团队承认,由于过度熔化的灯丝,当前的系统很容易受到太空物质拥堵的影响。

原型平台证明能够在高达 400°C 的轨道条件下 3D 打印 PEEK
该团队轨道 3D 打印机(如图)的中心管旨在防止高温堵塞。图片来自《空间研究进展》杂志。

在真空中打印

为了使轨道 3D 打印更加可行,研究人员着手开发一种 3D 打印系统,该系统具有升级的热控制单元,可以降落在卫星上,然后使用机械臂更换损坏的部件。除了这些臂及其起落架,该团队的第一个原型主要基于标准的 FDM 架构,配有加热棒、块、水槽、带子、挤出机和散热器。

作为在制造机器之前评估其机器潜力的一种方式,该团队选择进行大量 PEEK 打印模拟。有趣的是,结果表明,增加设备的散热器和散热器之间的热带数量使其能够更有效地控制其中心管的温度,同时防止在进料过程中熔化的灯丝回流。

通过他们的模拟,工程师们还发现,在降低重力的情况下打印会导致材料自身附着在系统的内管上,增加摩擦并可能造成挤压堵塞。为了解决这个问题,该团队反复修改了这一部分,然后提出了一种设计,用于提高其热传导效率,并在高达 400°C 的热量下运行。

最后,一旦他们整理了所有数据,研究人员就设计了一个数学模型,该模型展示了引入“模糊 PI 控制模块”会给他们的系统带来的好处。该设备本质上是作为故障保护装置,设计用于在 380°C 的温度下启动,提高其热控制功能的精度,同时还可以防止过热和修复错误的风险。

完成评估后,工程师们现在正在构建一个工作原型,他们打算在物理真空室中进行测试。将来,如果他们的打印机要找到最终用途的应用程序,该团队相信它可以通过“无需额外发射”进行维修来帮助“降低太空探索的成本和时间”。

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Redwire 现在已经在国际空间站上安装了几件 3D 打印设备,包括其 Regolith Print 设施(如图)。照片来自红线。

AM 雄心勃勃的轨道应用

太空中的 3D 打印听起来像是科幻小说领域的东西,但该技术之前已经在美国宇航局的 国际空间站(ISS)上进行了行星外测试。该领域的领先者之一是 Made In Space,它现在是Redwire的子公司,该公司去年在轨道基座上安装了一个新的陶瓷 3D 打印模块。

该公司的技术也将安装在Blue Origin和Sierra Space即将推出的商业“轨道礁”空间站上。新基地定于 2026 年发射,预计将作为“混合用途商业园区”,同时举办“太空制造”的持续微重力研发和实验生产测试。

与此同时,慕尼黑应用科学大学的研究人员也采用了与澳中团队类似的方法,开发了轨道卫星 3D 打印机。该系统旨在减少将维修设备发射到太空所需的限制任务长度的燃料量,未来可以在零重力条件下构建整个太阳能电池板或天线相关部件。

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